Dispense 2012-2013 Materiali Metallici

7/17/2019 Dispense 2012-2013 Materiali Metallici

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Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

Politecnico di Torino

Anno Accademico2012/2013

Materiali MetalliciDispense del corsoProf. De Benedetti



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SommarioPRODOTTI SIDERURGICI ..................................................................................................................................... 5

DIAGRAMMA DI STATO Fe-C , CURVE TTT e CCT .............................................................................................23

I TRATTAMENTI TERMICI .................................................................................................................................42

GLI ACCIAI ......................................................................................................................................................114

ACCIAI INOSSIDABILI ......................................................................................................................................136

ACCIAI DA UTENSILE ......................................................................................................................................163

GHISE .............................................................................................................................................................187

LEGHE D’ALLUMINIO .....................................................................................................................................199

RAME e LEGHE di RAME ................................................................................................................................216

LEGHE DI ZINCO .............................................................................................................................................244

SUPERLEGHE ..................................................................................................................................................246

LEGHE DI COBALTO ........................................................................................................................................248



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INDICE

A

Acciai Da Bonifica .....................................................116Acciai Da Cementazione ............................................124Acciai Da Nitrurazione ...............................................122Acciai Da Utensile......................................................163Acciai Da Utensili ......................................................165Acciai Inossidabili ......................................................136Acciai Inossidabili Induriti Per Precipitazione ...........152Acciai Inox Austenitici ...............................................140Acciai Inox Duplex ....................................................148Acciai Inox Ferritici ...................................................146Acciai Inox Martensitici .............................................143Acciai Per Cuscinetti ..................................................126Acciai Per Lavorazioni A Caldo.................................169Acciai Per Lavorazioni A Freddo ...............................166

Acciai Per Molle ..................................................... ....123Acciai Rapidi ..............................................................174Acciai Rapidi Da Polveri ............................................177Aerazione Differenziale ..............................................161Altri Acciai ..................................................... ............178Aspetti Pratici ......................................................... ....209Aus Tempering ....................................................... ......68

B

Bonifica .......................................................... ............197Bonifica Di Leghe Di Al ............................................204Bronzi ............................................................. ............227

C

Cementazione ......................................................... ......83Cementazione Ad Alta Temperatura ............................88Cementazione Liquida ..................................................88Cementazione Solida ....................................................88Ciclo Di Doppia Tempra ..............................................89Classificazione Delle Ghise ........................................195Classificazione Delle Leghe Di Alluminio .........210Colata Continua ...................................................... ....... 8Colata In Lingottiera ..................................................... 6Considerazioni Sul Secondo Elemento Di Lega

Fondamentale: Il Cu ............................................203

Controlli Ad Ultrasuoni ..............................................249Corrosione ...................................................... ............102Corrosione Di Leghe D‟alluminio ..............................207

D

Diagnostica Dei Metalli..............................................247Diagramma Di Stato Fe-C , Curve Ttt E Cct ................23Diametro Critico E Drasticità Di Tempra .....................54

E

Effetti Degli Elementi Di Lega Negli Acciai .............184Effetto Sugli Inox Austenitici Della Corrosione ........155

Elementi Di Lega Adatti Alla Ghisa ..........................193

F

Fenomeni Di Usura .................................................... .. 97Fenomeno Accoppiato Corrosione-Stress Meccanico 159

Forma Permanente ....................................................... 19

G

Ghisa Vermiculare ..................................................... 196Ghise ........................................................ .................. 187Gli Acciai ......................................................... .......... 114

I

I Trattamenti Termici ................................................... 42I Trattamenti Termici Superficiali ............................... 71Impianti Per La Cementazione ..................................... 87

L

La Saldatura E Le Leghe Di Alluminio ..................... 209La Trasformazione Perlitica......................................... 37Laminazione .............................................................. .. 11Lavorazioni Meccaniche .............................................. 12Le Curve Cct .................................................... ............ 34Le Curve Ttt ..................................................... ............ 28Leghe D‟alluminio ..................................................... 199Leghe Da Fonderia ........................ ............................ 200Leghe Di Cobalto ....................................................... 246Leghe Di Magnesio .................................................... 240Leghe Di Titanio ........................................................ 232

Leghe Di Titanio E Magnesio .................................... 232Leghe Di Zinco .......................................................... 242Lettura Del Diagramma Di Stato ................................. 25Limitare I Fenomeni Di Decarburazione ..................... 80

M

Marquenching .............................................................. 69Martempering .................................................. ............ 70

N

Nitro-Carburazione Ferritica ........................................ 98 Nitrurazione ..................................................... ............ 91

Normative E Designazione Degli Acciai ................... 114

O

Ottoni ......................................................................... 221

P

Problema Del Disegno Del Pezzo ................................. .. 77Problema Dell‟ossigeno ............................................. 218Problemi Di Qualità ................................................... .. 10Processo A Cera Persa ................................................. 21Processo A Schiuma Persa ........................................... 19Prodotti Siderurgici .................................................... .... 5Produzione Degli Stampi - Elettroerosione................ 163Proprietà A Bassa Temperatura ................................. 153Prova Jominy ................................................... ............ 58



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R

Radiografia Dei Metalli ..............................................248Rame E Leghe Di Rame .............................................215Ricottura Completa (Ipercritica)...................................45Ricottura Decarburante...............................................197Ricottura Di Distensione ............................................197Ricottura Di Distensione (Subcritica) ..........................48Ricottura Di Sferoidizzazione ......................................47Ricottura Ferritizzante ................................................197Ricottura Isotermica (Ipercritica + Subcritica) .............45Riflessioni Sulla Struttura ..........................................203Rinvenimento ......................................................... ......65Rinvenimento ......................................................... ......89

S

Saldatura ......................................................... ............128Saldatura Ad Arco Elettrico Senza Elettrodo Refrattario

(Mig) ......................................................................133Saldatura Ad Arco Elettrico Senza Elettrodo Refrattario

(Saw) .......................................................... ............132

Saldatura Al Plasma ...................................................134Saldatura Di Acciai Inox Ferritici Eli .........................151Saldatura Manuale Con Elettrodo Rivestito ...............131Saldatura Manuale Tig ...............................................130Saldatura Per Attrito ...................................................135Saldatura Per Punti ............................................ 133; 230Schema Riassuntivo Composizione Leghe Non Ferrose

E Loro Applicazioni ...............................................243Schema Riassuntivo Leghe Ferrose E Loro Applicazioni

............................................................. .................. 186Schemi Riassuntivi Acciai Da Utensili ...................... 182Schemi Riassuntivi Dei Trattamenti Di Finitura ........ 110Storia Termica Del Materiale ...................................... 73Struttura Della Matrice .................. ............................ 194Superleghe ................................................................. 244

T

Tabella Di Riepilogo Delle Principali Tecniche DiTrattamento Superficiale ....................................... .. 96

Tabelle Riassuntive Cnd ............................................ 250Tecnica Dei Liquidi Penetranti .................................. 247Tecniche Di Produzione Per Stampaggio .................... 21Tempra ..................................................... .................... 49Trasformazione Martensitica ....................................... 26Trasformazioni Al Raffreddamento ............................. 25Trasformazioni Dell'austenite ...................................... 31Trattamenti Al Plasma ............................................... 104Trattamenti Di Malleabilizzazione : Ricottura

Decarburante E Ricottura Ferritizzante ................. 197

Trattamenti Termici Di Interesse Per Le Leghe InTitanio ................................................................... 236Trattamenti Termici Per Acciai Rapidi ...................... 175Trattamenti Termici Per Acciai Rapidi Da Polveri .... 178

V

Vaiolatura .................................................................. 158Viti A Circolazione Di Sfere ...................................... 120



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PRODOTTI SIDERURGICI http://www.ing.unitn.it/~colombo/GENERALITA%27_SULLE_MACCHINE_UTENSILI_E_LAV

ORAZIONI/PARTE1.htm

http://xoomer.virgilio.it/treclassi/#metallurgia Iniziamo l‟analisi delle caratteristiche e dei processi di lavorazione delle leghe Fe-C a basso tenore di C (< 2%), dette acciai, dal momento in cui il materiale vienespillato dal forno fusorio e destinato ai trattamenti successivi, finalizzati alla

produzione degli oggetti di interesse. Il bagno metallico viene inviato in uncontenitore, detto secchia o siviera, alla temperatura di 1650-1700 °C e da lì vieneavviato alla produzione dei cosiddetti intermedi siderurgici, prodotti chevengono sottoposti a lavorazioni successive (prevalentemente di tipo meccanico)

per giungere ai pezzi finiti. La qualità di un prodotto finito, parametro strettamenteconnesso alla prestazione richiesta, è funzione della storia con la quale è stato

elaborato il materiale e in particolare, quando si parla di prodotti siderurgici, siintendono tutti i processi metallurgo-siderurgici che portano al prodotto finito partendo dal minerale o dal rottame, passando per la lega metallica e i prodottisemifiniti.

Il nostro punto di partenza è il momento in cui, la lega esce dal forno e bisogna passare ai formati commerciali. Dalla siviera l‟acciaio viene travasato, sempre allostato liquido, in un sistema che ne determinerà la forma „commerciale‟. Sono

possibili due strade:

http://www.ing.unitn.it/~colombo/GENERALITA%27_SULLE_MACCHINE_UTENSILI_E_LAVORAZIONI/PARTE1.htm



http://xoomer.virgilio.it/treclassi/#metallurgia







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Colata in

Lingottiera Prendiamo in esame la prima strada. La siviera presenta un‟apertura sul fondo

per la fuoriuscita del materiale liquido detta scaricatore a cassetto. Di quil‟acciaio fuso viene colato in una lingottiera rovesciata, avente sezione

trapezoidale e costituita da ghisa (per il basso costo, la bassa saldabilità el‟elevata conducibilità termica), dove solidificherà nell'arco di poche ore.Prendono così forma lingotti di peso variabile tra 1 e 10 t .

Colata in diretta in lingottiera

Il principale problema determinato da questo tipo di colata, detto colata in diretta,

è costituito dal fatto che gli eventuali schizzi sulle pareti solidificano prima chesiano raggiunte dal liquido, andando a costituire delle zone ossidate „ incluse‟

dal resto del lingotto (difetti superficiali chiamati gocce fredde ), conconseguente peggioramento delle caratteristiche meccaniche del prodottofinito. Per evitare questo problema si ricorre ad una colata in sorgente.

Colata in sorgente



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Dalla siviera l‟acciaio passa prima in un imbuto di colata e poi, attraverso il bastone di colata, va a riempire la lingottiera dal basso. In questo modo la risalitadell‟acciaio è più regolare ed il prodotto finale è di qualità migliore. Questomodo di procedere è però più costoso: sono maggiori sia la quantità di refrattarinecessaria per realizzare il sistema di alimentazione, che la perdita di materiale

negli stessi. Per rimediare a ciò si preferisce di solito alimentare con un unico bastone di colata un certo numero di lingottiere contemporaneamente (di solito4).

Il principale problema seguente alla colata del lingotto è costituito dal fenomenodel ritiro volumetrico; chiaramente determinato dal fatto che il passaggio dallafase liquida alla fase solida comporta una diminuzione di volume (0,7 – 2% ) e aciò si aggiungono gli effetti legati al raffreddamento della massa colata. Le primezone a solidificare sono quelle prossime alle pareti della lingottiera e quellasuperficiale (la cosiddetta „ pelle‟), mentre la zona centrale („cuore‟) solidifica perultima. Quando il cuore solidifica, la parte centrale della superficie del lingotto

viene trascinata verso il basso a causa dei fenomeni di ritiro, (non le partiterminali, vincolate dall‟attrito per il contatto con le pareti della lingottiera) ,formando il cosiddetto cono di ritiro.

La parte di lingotto interessata dal fenomeno prende il nome di materozza. La suaeliminazione (stripping), necessaria perché essa andrebbe a determinare difetti nel

prodotto siderurgico finale, comporta una perdita di circa il 10% del prodotto. Sirende necessaria la riduzione della zona interessata dal cono di ritiro per altra via.



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Tutti i bagni metallici sono protetti da una scoria che esercita una duplicefunzione: dal punto di vista chimico proteggono il bagno dall‟ossidazione, daquello fisico modificano gli scambi termici con l‟esterno. Perciò si opera in

modo da avere nella scoria (che presentando di solito una densità minore a quelladel bagno metallico, tende a galleggiare su di esso) dell‟alluminio in modo che, acontatto con l‟ossigeno dell‟aria, avvenga la reazione

2 Al + 3/2 O2 Al2O3 + calore

la quale, per la forte esotermicità, fa sì che la materozza rimanga liquida esolidifichi per ultima (materozza esotermica), evitando così la formazione delcono di ritiro (si osservi inoltre che si forma un ossido refrattario in grado dirallentare gli scambi termici con l‟esterno). Tale metodo viene chiamatoalluminotermia.

Colata continua Tecnica alternativa alla colata in lingottiera è la colata continua, che nasce perridurre le dimensioni dell‟intermedio siderurgico in vista di manufatti finali lunghie di piccole dimensioni (ad es. tondini per calcestruzzo armato). In questo casol‟acciaio viene colato dalla siviera in una lingottiera senza fondo: essa ha la formadell‟oggetto che deve essere prodotto, in genere una barra avente sezione quadratadi lato compreso tra 10 e 20 cm. e lunghezza di circa 1.5 m. (dopo il taglio), dettobilletta.

La lingottiera ha pareti in rame raffreddato ad acqua (Tm (Cu) 1080°C) in modoche l‟acciaio in uscita sia già solidificato nello strato più esterno. Il processo

prevede l'uso di una falsa billetta trascinata verso il basso a mezzo di rullitrascinatori, che verrà in seguito rimossa come scarto. In questo modo é possibile

procedere ad un‟alimentazione in continuo per afflusso dell‟acciaio nella billetta,che posso estrarre dalla macchina già solidificata in pelle (ad una temperatura dicirca 1300°C) e quindi non più soggetta a fenomeni conseguenti al ritiro. Il temponecessario all'attraversamento della lingottiera è circa un minuto. Non si opera su

billette di dimensioni minori perché la velocità di estrazione aumenterebbe troppo,rischiando la frattura della pelle nella zona del gomito.

Processo di colata continua



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Per limitare lo sviluppo in altezza dell‟impianto si utilizza una successione dirulli trascinatori e deformatori che fanno sì che la billetta si estragga in sensoorizzontale. Il materiale, alle temperature di lavoro, risulta essere ancoradeformabile anche se la pelle, già solidificata, può rompersi se il cuore è ancora

parzialmente liquido. Per questo motivo occorre scegliere in modo opportuno la

velocità di estrazione perché sia compatibile con il raggio di curvatura impostodalla macchina alla billetta.

Processo di colata continua curva

http://www.youtube.com/watch?v=d-72gc6I-_E

I difetti composizionali sono innanzitutto causati da fenomeni di segregazione. Atutti è noto che solidificando una lega metallica i primi cristalli di solido che siseparano hanno una composizione differente da quella del resto del bagno, in

particolar modo risultano più poveri di elementi di lega (liquazione); se siseguissero le condizioni di equilibrio, il solido cambierebbe la propriacomposizione interagendo con il liquido sino a raggiungere, a solidificazioneconclusa, la sua stessa composizione. In un lingotto i fenomeni di raffreddamentosono lenti per cui ai fenomeni di segregazione si sommano quelli di diffusione chetendono a uniformare la composizione della lega nelle varie zone del getto.

Durante la colata continua invece la pelle si raffredda velocemente, per cui nellazona superficiale si ha un forte depauperamento degli elementi di lega. Per questomotivo si preferisce colare in continuo acciai a basso tenore di elementi di lega (equindi il prodotto finale risulta di qualità „ bassa‟); ma quando ciò non è possibilesi opera come segue: favorendo i fenomeni di diffusione con alte temperature eagitazione del fluido. Nelle condizioni operative sicuramente le temperature sonoalte e per avere agitazione dell‟acciaio liquido si utilizza nella zona prossimaall‟uscita dalla lingottiera un induttore (conduttore percorso da corrente) affinchél‟induzione elettromagnetica provochi un mescolamento del bagno e metta incontatto il solido con il liquido ancora presente, più ricco di elementi di lega,uniformando così la composizione.





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Problemi di

qualità

Stirring elettromagnetico

Altro intermedio siderurgico che può essere realizzato attraverso la colatacontinua è la bramma, dalla quale si possono ottenere lamiere. Essa ha sezionerettangolare, con spessore di circa 10 cm. e larghezza di circa 1 m., ed è prodottaesattamente come le billette (chiaramente con la lingottiera di forma opportuna).In questa situazione la velocità di solidificazione è estremamente elevata, per cuialtrettanto elevata dovrà essere la velocità di estrazione della bramma dallalingottiera. Per motivi ovvi la macchina si estende solo in verticale ed il prodotto ètagliato alla fine del tratto verticale nei pezzi di lunghezza voluta. La colatacontinua garantisce alta velocità di produzione, prodotti di piccola sezione,assenza di scarti, scorie e materozze, al costo di alcuni svantaggi come ladisomogeneità tra cuore e pelle e l'incontrollabilità del contenuto inclusizionale,destinando questo processo alla produzione di acciai di bassa qualità (facendonotare che se la pelle, che dovrà resistere ad attacchi chimici e meccanici, è di

bassa qualità, allora l'intero prodotto finito sarà scadente). Direttamente da colatacontinua, oppure per fucinatura di lingotti, si possono ottenere i blumi, un altro

tipo di intermedio siderurgico. La fucinatura (o forgiatura) è un procedimento disagomatura a caldo mediante percussione o pressatura.

Il problema fondamentale, connesso a tutte le tecniche di colata presentate, ècostituito dal trascinamento nel bagno metallico di componenti di scoria (CaO,SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3) che possono dare origine ad inclusioni ( fase nonmetallica inglobata in una matrice metallica). Esse vanno a bloccare il moto delledislocazioni dovute alla deformazione plastica del materiale, diminuendone latenacità. E' opportuno perciò, ridurne la quantità nel materiale. Nei lingotti lasolidificazione è estremamente lenta e la scoria (avente densità di circa 2 g/cm3)tende per risalita a separarsi dal bagno metallico (avente densità di circa 7,8

g/cm

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). Nel caso della colata continua la velocità di raffreddamento dellasuperficie è estremamente elevata e quindi la qualità è più modesta. Per aumentareil grado di pulizia di un lingotto si utilizza il metodo ESR ( Electro Slag

Remelting) : lo si pone al di sopra di una scoria fusa, costituita prevalentemente dafluoruri di Ba e Ca ( 4 g/cm3 ) e con un induttore posto al fondo del lingotto,determino la fusione della zona terminale finché delle gocce di acciaio (e dellosporco che le accompagna) tendano a passare nella scoria.

A causa delle diverse densità, lo sporco‟ tenderà ad andare a galla mentrel‟acciaio ad andare al di sotto, costituendo un lingotto pulito‟. Il materiale cosìottenuto è appunto detto acciaio ESR ed è utilizzato nell‟industria meccanica diqualità e nell‟industria aerospaziale.



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Un altro difetto da eliminare è quello legato alla presenza di vuoti nell‟intermedio,determinati o da fenomeni di ritiro o dalla presenza di gas disciolti nel bagno.Particolarmente pericoloso è l‟H2 che presenta una notevole solubilità nell‟acciaio liquido e una solubilità ridotta nell‟acciaio solido. Affinché il gas esca l‟acciaiodeve essere quindi degasato allo stato liquido. A questo fine si utilizzano degliimpianti di degasaggio sotto vuoto. Queste operazioni si rendono necessarie

perché, come vedremo, la presenza di gas influenza le temperature di transizionenei prodotti metallurgici.

Laminazione A valle dei processi di colata si procede alla deformazione plastica del materialeonde ottenere i prodotti finali commerciali. I processi di laminazione, o dideformazione plastica a caldo, si conducono in gabbie di laminazione costituite dauna successione di cilindri rotanti attraverso i quali è fatto passare l‟intermediosiderurgico ottenuto in precedenza.



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Se s1 e lo spessore in ingresso ed s2 è quello di uscita, dovendo essere eguali le portate ho che s1v1=s2v2, per cui al ridursi della sezione la velocità aumenta.L‟operazione si conduce a temperature superiori ai 1200 °C per incrementare laduttilità del materiale. Contemporaneamente al fenomeno, in conseguenza del

contatto con l‟aria, si hanno processi di ossidazione che comportano la parzialedecarburazione della superficie dell‟acciaio (C + O2 ↔ CO2) ed un parzialeattacco ossidativo (3Fe + 2O2 → Fe3O4). Per rimediare al decadimento dellecaratteristiche superficiali del manufatto si esegue successivamente un‟operazionedi pelatura.Importante è osservare che tanto più si riduce la sezione quanto più si riducono glieffetti dovuti alle porosità ed al ritiro, e cioè maggiore è il rapporto di riduziones1/s2 e maggiore è la qualità dei prodotti siderurgici (nei pezzi di grossedimensioni, ad esempio quelli per stampi, si devono curare molto le operazioni didegasaggio in quanto è assente il contributo della saldatura delle porosità).

Nel corso della laminazione si eseguono delle lavorazioni intermedie di cui ci

occuperemo in seguito: ricottura completa (per i lingotti) e preriscaldo (per billette).Si deve osservare inoltre che non è possibile tenere in linea diretta acciaieria elaminatoio poiché diverse possono essere le tipologie del prodotto finale e poichéeventuali intoppi in acciaieria non devono influenzare i lavori del laminatoio.Particolare attenzione deve essere posta al disegno dei rulli deformatori e alla

precisione dell'ingresso dei pezzi: devo tener conto dell‟usura dei rulli, inoltrela barra si potrebbe incagliare (a ciò conseguirebbero situazioni estremamente

pericolose per la sicurezza degli addetti al processo).

Lavorazioni

meccaniche La lavorazione per asportazione di truciolo a freddo è ottenuta mediante una seriedi lavorazioni meccaniche che richiedono l‟impiego di macchine utensili. Le

principali operazioni fondamentali di officina sono quattro:

1) limatura/piallatura2) tornitura3) fresatura4) trapanatura

La differenza che intercorre tra di esse risiede nel moto relativo tra pezzo eutensile. Nella limatura il moto relativo utensile-pezzo e di tipo traslatorio:

l‟utensile trasla ed elimina il truciolo; definisco profondità di passata la differenzatra lo spessore iniziale e quello finale, successivo alla lavorazione. Nella tornitura il pezzo è posto in rotazione e l‟utensile è sempre diretto verso ilcentro di simmetria del pezzo. Nella fresatura il pezzo è messo in traslazione el‟utensile in rotazione mentre nella trapanatura il pezzo è fisso e l‟utensile inrotazione e traslazione.lavorazione ezzo tensile allontanamento

del truciolo piallatura fermo raslatornitura uota rasla -fresatura rasla uota +

trapanatura fermo uota e trasla --



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Esistono anche altri tipi di lavorazioni come alesatura, zigrinatura, filettatura,

etc.

I punti più delicati del processo sono costituiti da:

1) usura utensile (dipendente dalla resistenza all'usura del materiale in relazionealle caratteristiche di lavorabilità del pezzo)2) qualità superficiale della lavorazione (dipendente dalle caratteristiche delmateriale e dai parametri di lavorazione meccanica)3) lubrificazione (necessaria per ridurre l‟usura dell‟utensile, per raffreddarlo efavorire il distacco del truciolo)4) velocità di passata (è il parametro più importante per l‟economia del processo)5) eliminazione del truciolo (deve essere facilitata il più possibile)6) profondità di passata (differenza tra spessore iniziale e spessore finale,determina la produttività ed è legata alla velocità di passata)

Il processo di formazione del truciolo metallico è il risultato della combinazionedel taglio delle fibre da parte dell‟utensile e della deformazione plastica deltruciolo nel corso del suo allontanamento da parte dell‟utensile; i due processicomportano una notevole sollecitazione sull‟utensile ed un diverso modo diallontanamento del truciolo in dipendenza alla qualità del materiale.L'asportazione di materiale non è dovuto ad azioni di taglio dell'utensile, bensìall'avanzamento della cricca indotto dallo scalzamento del truciolo.La zona più riscaldata è quella di contatto tra il truciolo e l‟utensile, a causa

dell‟attrito: l‟utensile taglia le fibre (tanto più efficacemente quanto più è affilato)ma il massimo della sollecitazione si ha nella zona di strisciamento del truciolo; diqui la necessità della lubrificazione e la necessità di materiali in cui il truciolotendano possibilmente a rompersi (specie in trapanatura e tornitura).Gli acciai si distinguono in base al tenore di C in acciai a basso tenore di C(0.1%), a medio C (0.4%) e ad alto C (0.8%); a ll‟aumentare del tenore di Cdiminuisce la duttilità mentre aumentano la resistenza a trazione e la durezza.L‟operazione di taglio delle fibre è dunque facilitata in acciai ad elevata duttilitàmentre la rottura del truciolo lo è in acciai ad elevata durezza. Nelle situazionioperative si dovrà adottare una soluzione di compromesso tra questi due situazionilimite.



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Per migliorare la „frantumabilità‟ del truciolo è opportuno modificare lacomposizione del materiale con l‟aggiunta di elementi di lega che portino allasegregazione di seconde fasi in grado di ottenere questo risultato. Si è detto infattiche le inclusioni riducono la tenacità a frattura di un materiale e questo è quelloche vogliamo realizzare in sede di lavorazione meccanica.

Negli acciai a basso e medio tenore di C si aggiunge dello S; esso dà origine a FeSche fonde a circa 1100°C e di conseguenza quando lamino un acciaio in cui siabbia segregazione di FeS le gocce di liquido tendono ad allungarsi rendendo ilmateriale anisotropo (normalmente indesiderato).Per far sì che i solfuri rimangano di forma tondeggiante (altrimenti si avrebbe unmateriale degradato dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche finali),aggiungo del Mn, che dà MnS, fusibile a temperature superiori a quella dilaminazione. In questo modo i solfuri rimangono tondeggianti e „servono‟ solo afavorire la rottura del truciolo.Processo affine è quello che prevede l‟utilizzo del Pb; esso è un metallo che non

ha alcuna solubilità nel Cu per cui segrega sotto forma di goccioline ed è basso-fondente. Il Pb determina quindi seconde fasi metalliche che non compromettonola tenacità della lega. Nel corso della lavorazione esso tende a liquefare

provocando l‟innesco della frattura (lazione del Pb liquido diminuisce anchel‟attrito truciolo-utensile). L‟aggiunta del Pb si fa in siviera, prima della colata,non senza problemi di salubrità dell‟ambiente di lavoro, legati alla forte tensionedi vapore di tale metallo (è causa del saturnismo).In alternativa è possibile l‟aggiunta di Ca, Se, Te per determinare inclusioni diforma tondeggiante.

Rettifica

Il processo successivo a quello della lavorazione all‟utensile per asportazione deltruciolo consiste nell‟operazione di finitura (rettifica e lappatura). La profonditàdi passata dell'operazione di tornitura è dell‟or dine del decimo di mm (100μm)mentre quella di un‟o perazione di rettifica è dell‟ordine del centesimo di mm(10μm). A questo fine si utilizza la mola, un utensile costituito da granuli diabrasivo (corindone, diamante, SiC...) immersi in una matrice legante (ceramica,

polimerica, metallica...); nel caso di lavorazioni meccaniche viene usatanormalmente una matrice di tipo inorganico con granuli di corindone comeabrasivo.



METALLURGIA – Prof. De Benedetti

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La mola ha un moto simile a quello di un utensile da fresatura; i granuli possono però essere scalzati e la mola usurarsi. Un metallo duttile tende poi adimpastare la mola, cioè a spalmarsi su di essa e a farla quindi lavorare metallo sumetallo. La rettifica deve essere pertanto condotta su materiali il cui „truciolo‟ èestremamente fragile (un materiale facilmente tornibile è quindi poco

rettificabile); il suo scopo principale è quello di rendere la superficie a bassogrado di rugosità nella zona superficiale (tipica per l‟innesco di cricche di fatica).E' utile inoltre lavorare ad altissime velocità di taglio, per impedire la diffusionee la moltiplicazione delle dislocazioni e quindi la deformazione plastica.

Fonderia Nel momento in cui si vuole realizzare un oggetto di forma particolarmentecomplessa è consigliabile ricorrere ad un processo di fonderia. Essa ben siadatta a leghe metalliche a temperatura di fusione relativamente bassa ed a ridottaaffinità con l'O2; inizialmente infatti le prime leghe da fonderia sono state quelledi Cu e Au, successivamente si è passati a leghe di Fe, Al e Mg (in questi ultimi

due metalli l‟af finità con l‟ossigeno è però elevatissima). Il bagno metallico ècolato in forme che possono essere permanenti o non.

Forma scioltaLa forma „sciolta‟ è costituita da sabbia di silice o cromite legata con un‟argilla(bentonite) e addizionata con acqua, che favorisce la formatura ed assicura laresistenza meccanica. Questa sabbia può essere riciclata per un numero finitodi volte, finché i granuli che la compongono non hanno gli spigoli smussati; intal caso infatti, aumenterebbe troppo la porosità, intrappolando il vaporeall'interno del getto. Il processo può essere descritto nel modo seguente: sidivide l‟oggetto che deve essere colato con un opportuno piano di simmetria e

faccio un calco delle due parti ( staffa superiore e staffa inferiore). In ognistaffa posso produrre più getti alimentati dal medesimo bastone di colata eciascuno dei quali collegato ad un canale di materozza .




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Quando arriva la lega fusa, la forma deve avere una resistenza meccanicasufficiente a resistere all‟impatto che provoca: l‟attacco di colata (zona in cui ilcanale di colata sfocia nel getto) deve essere posto in una zona in cui minimesiano le possibilità di erosione della forma, l‟attacco di materozza deve essereinvece posto il più lontano possibile dall‟attacco di colata per evitare il formarsi

di ostacoli nello stampo che ne impedirebbero il riempimento completo.

E' inoltre importante che la solidificazione avvenga in modo direzionale, cioè cheavvenga a partire dalla porzione di getto con più basso modulo termico e finiscacon quella ad alto modulo termico (M = volume/superficie dissipante). Maggiore èil modulo, maggiore il tempo di solidificazione; due oggetti con volumi differentima uguale modulo M, avranno tempi di solidificazione identici.Per questo motivo, solitamente una materozza ben progettata viene collocata

proprio sulla parte di getto a più alto modulo, in questo modo riuscirà a riforniredi ulteriore liquido la porzione di getto solidificante e perciò soggetta a

ritiro volumetrico; la materozza quindi, sarà l'elemento sacrificale del sistema,

perché ospiterà il cono di ritiro.

Sempre per rispettare la solidificazione direzionale, é possibile aggiungeredei sovrametalli per aumentare la quantità di materiale nei punti in cui non èrispettata la sequenza corretta dei moduli di raffreddamento. Il sovrametallo èutile anche per creare gli angoli di sformo, che aiutano l'estrazione del gettosolidificato dalla forma, per proteggere le superfici destinate a finitura e per lacreazione di raccordi sugli spigoli (soprattutto nel sistema di alimentazione), utilisempre per favorire la solidificazione ed evitare erosione della forma duranteil riempimento. I sovrametalli sono materiale di scarto, che verrà quindieliminato dalle successive lavorazioni di taglio.




17

Si ricordi inoltre che l'acciaio fuso esercita una spinta sulla forma ( spinta

metallostatica), che andrà quindi dimensionata opportunamente per resistere allosforzo, eguagliando densità*volume di metallo e sabbia.Prima di ogni operazione di fonderia quindi, è necessario un profondo studio sul

modello e sul processo di colata, ed eventualmente è possibile aiutarsi consimulazioni CAE che anticipano con buona approssimazione gli esiti della colata(dopo qualche ora di elaborazione dei dati).

Tra metallo e forma possono aversi delle reazioni legate all‟aria presente nelle porosità della forma e all‟acqua usata per la presa del legante; la più temuta èquella di decarburazione:

C + H2O CO + H2

CO + ½ O2 CO2

Come lega da fonderia si usa ad esempio la ghisa, lega Fe-C ad alto tenore di C(circa il 4%). Per evitare le reazioni di decarburazione si aggiunge alla bentonitedella forma del carbonio derivante dalla decomposizione della pece (nerofumo);esso reagisce con il vapor d‟acqua proteggendo il getto dalla decarburazione.Fondamentale nel processo è il rapporto fuso/netto: il fuso è dato dalla somma deigetti, del canale di colata e della materozza, mentre il netto è rappresentato daigetti. Inutile dire che questo rapporto deve essere il più basso possibile. Dopo lacolata si disfa la forma e separandola dalla parte metallica mediante vibrazionimeccaniche.

Nel caso in cui si vogliano delle cavità nell‟oggetto (difficilmente realizzabili conoperazioni di taglio) si inserisce della sabbia dove si vuole evitare che arrivi ilmetallo. A questo fine si utilizza un oggetto detto anima costituito da sabbie legatecon resine (polimerizzanti a caldo o a freddo); l‟anima viene posta nella staffa edeve permanervi sino a quando la lega fusa sia solidificata. Verrà poi eliminatasuccessivamente disgregandola durante l'operazione di distaffaggio. Seguono leoperazioni di smaterozzamento, granigliatura e le eventuali lavorazionimeccaniche.




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Forma

permanente Oltre alle forme in sabbia è possibile usare forme permanenti, contenenti già adesempio gli elementi che andranno a costituire le cavità (occorre però individuareun piano di separazione che consenta di sformare l‟oggetto). In questo caso si puòoperare o una colata in gravità (conchiglia), in cui il metallo è rovesciato in una

forma secondo lo schema precedente, o una colata sotto pressione ( pressocolata,talora chiamata pressofusione dai tecnologi, anche se in modo del tuttoimproprio), in cui la lega è immessa sotto pressione nello stampo, rendendo tral'altro inutile l'uso di materozze. Essendo in generale la forma di tipo metallico

posso avere il problema dell‟ader enza getto-forma (in particolar modo con la pressocolata); in questo caso è opportuno spruzzare un lubrificante a bassatensione di vapore (per evitare che i vapori vadano a costituire un difetto nel getto)nella camera dello stampo in modo che agisca da distaccante. A tal scopo vieneusata una miscela acqua/olio.

Processo a

schiuma persa

Un processo di fonderia messo a punto in tempi recenti prende il nome di processo

a schiuma persa (lost foam); esso consiste nell‟utilizzo di modelli in polistiroloespanso, materiale facilmente stampabile ed assemblabile. Questo modello, cui ècollegato un imbuto di colata anch‟esso in polistirolo, è posto in un recipienteriempito successivamente di sabbia. A questo punto si rovescia la ghisa fusanell‟imbuto di colata: il polistirolo crackizza, brucia e lascia il posto al metallofuso. Il modello deve essere precedentemente rivestito con una vernice refrattaria

per dare resistenza meccanica alla forma evitando che la sabbia sciolta circostanteentri nel getto. Questa vernice deve essere comunque sufficientemente permeabileai gas prodotti per decomposizione termica del polistirolo in modo da evitaresoffiature nel gettoCon questa tecnica non è richiesto alcun condizionamento della sabbia, sonoassenti le bave di giunzione ed inoltre, nel momento in cui realizzano delle cavità,non si deve ricorrere al complesso meccanismo delle anime; si consideri adesempio la produzione di un cilindro cavo: è sufficiente produrre in polistirolo idue semi gusci, andarli ad incollare e procedere come descritto in

precedenza. Essendo il polistirolo molto deformabile, si deve avere moltacautela per evitare che i getti possano essere di scarto. Inoltre un processo diquesto tipo si rivela adatto nel momento in cui si vogliano produrre getti di

piccola serie e sia quindi costoso ricorrere a delle forme permanenti.




20

Schema del processo a schiuma persa




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Processo a cera persa

Processo concettualmente affine al precedente è quello definito come processo a cera persa che sfrutta la duttilità e malleabilità della cera per la realizzazione di modelli,anche in questo caso dotati di un imbuto di colata e rivestiti successivamente di unguscio refrattario. La differenza fondamentale sta nella fase di deceratura che si ottiene

girando di 180° la forma e ponendola in una stufa perfar fondere ed allontanare la cera. Nel guscio vuoto così ottenuto (dotato peraltro disignificativa resistenza meccanica) si andrà a colare il metallo (senza il problema dellacombustione del polistirolo, tipica del caso precedente).

Tecniche di Produzione per stampaggio Ultimo processo che andiamo a considerare è lo stampaggio a freddo. Possonoessere stampati a freddo solo materiali con elevata duttilità, ad esempio acciaiinossidabili austenitici (basso tenore di C, struttura CFC adatta a deformazioni

plastiche).

PUNZONE

Lamiera

Stampo

Processo di Imbutitura

Con questa tecnologia si ottengono elevatissime precisioni dimensionalidei pezzi stampati e non si hanno i fenomeni di ossidazione superficialeche accompagnano di solito i processi di stampaggio a caldo. Unicalimitazione è quella posta dalla resistenza intrinseca dei materiali chedeve essere superata in quelle zone dove la velocità di deformazione èmaggiore.

Difficilmente si utilizza una quantità di lamiera calibrata per ottenereil pezzo nella forma desiderata; è necessario avere una riserva dimateriale che serve da camera di compensazione nel processo dideformazione plastica (bava di stampaggio). Con lo stampaggio (afreddo ed a caldo) lo sfrido è considerevole ed ha un peso economicomolto significativo. In generale i vari processi che abbiamo considerato sidistinguono per la differenza tra la quantità di materiale di partenza e la

parte utile ottenuta alla fine.

Il processo con minori sfridi è certamente la metallurgia delle polveri.Per confrontare i vari processi devo anche tenere conto del materiale di

partenza: se ad esempio voglio produrre un albero a gomito con lostampaggio a caldo dovrò partire da un acciaio, se invece lo voglio

produrre con una tecnica da fonderia dovrò partire da ghisa sferoidale.




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Gli sfridi prodotti vanno ad alimentare i processi di metallurgia secondaria; ingenere distinguiamo:

1) metallurgia primaria: si riferisce a pezzi ottenuti direttamente da lega in cui la

materia prima è il minerale2) metallurgia secondaria: è alimentata con il riciclo dei rottami. I rottami sidistinguono in nuovi (es. bave di stampaggio) o vecchi (derivano dal materiale afine vita, ad es. lattine); dal punto di vista economico costa ovviamente di più ilrottame nuovo (ha un valore commerciale vicino a quello del materiale vergine).

http://www.youtube.com/watch?v=c9CnfH9yIF0&list=FLf_eXqElaH7WBeVWhTUQuDA&index=79 http://www.youtube.com/watch?v=d-72gc6I-_E http://www.youtube.com/watch?v=9l7JqonyoKA http://www.youtube.com/watch?v=c6p2OV4wg0A&list=FLf_eXqElaH7WBeVWhTUQuDA

http://www.youtube.com/watch?v=c9CnfH9yIF0&list=FLf_eXqElaH7WBeVWhTUQuDA&index=79




http://www.youtube.com/watch?v=9l7JqonyoKA


http://www.youtube.com/watch?v=c6p2OV4wg0A&list=FLf_eXqElaH7WBeVWhTUQuDA









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DIAGRAMMA DI STATO Fe-C , CURVE TTT e CCT

I diagrammi di Ci sono due diagrammi di stato Fe-C: uno stabile (Fe-grafite) e uno metastabile

stato Fe/C (Fe-cementite) che si realizza a un livello di energia libera lievemente maggiore equindi a temperature inferiori rispetto all‟equilibrio stabile.

In questo secondo diagramma Fe-Fe3C la cementite (Tm circa 1300°C anziché glioltre 3000°C del carbonio), che è un composto interstiziale instabile, tende adecomporsi in Fe3C → 3Fe+C. Nei processi al raffreddamento dalla fase liquidacon formazione di grafite proeutettica si osserva una più spiccata tendenza delsistema a seguire il diagramma di stato stabile. In pratica con il diagramma di statostabile si seguiranno le trasformazioni che hanno luogo al raffreddamento del bagnometallico liquido; mentre le trasformazioni allo stato solido seguono

preferenzialmente il diagramma di stato metastabile.

Termini metallografici

α ferrite

γ austenite

Fe3C cementite

α + Fe3C perlite (eutettoide)

γ + Fe3C ledeburite (eutettico)

meno del 2.11% C acciai

più del 2.11% C ghise

Acciaio con 0.4% di C ferrite proeutettoidica e perlite

Acciaio con 2.11% di C cementite proeutettoidica e perlite

Ghisa con 2.5% di C grafite eutettica, cementite proeutettoidica e perlite

Perlite miscuglio meccanico di ferrite e cementite




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25

Lettura del

diagramma di

stato

Il Fe puro a 910°C subisce la trasformazione allotropica Fe Fe (passaggio dastruttura CCC a struttura CFC); a 1400°C Si ha una seconda trasformazioneallotropica: Fe Fe (da struttura CFC a struttura CCC) ed a 1535°C si ha lafusione del ferro: Fe liquido.Questi punti sono tutti di invarianza ( = 1+1-2).Da un punto di vista termodinamico, da ogni punto di invarianza nascono due lineedi monovarianza; l‟andamento delle linee che delimita il campo (austenite) èquello indicato, in quanto il C è un elemento stabilizzante della forma CFC; essotrova facilmente spazio interstiziale in una struttura CFC mentre trova poco spazioin una struttura CCC. A 727°C si individua una trasformazione allo stato solido incui + C (trasformazione eutettoidica); all‟eutettoide sono presenti tre fasi e siè in condizioni di invarianza.

Nella parte alta del diagramma ho una trasformazione peritettica: + liquido(1495°C); in questa trasformazione, anch‟essa di invarianza, il punto

rappresentativo del liquido si trova all‟estremo del segmento che unisce i puntirelativi ai due solidi coinvolti: al peritettico un solido si decompone in un liquido edin un altro solido, con il liquido fase più ricca di soluto.A 1154°C si ha la trasformazione eutettica: liquido + C.Le temperature indicate nel diagramma sono ottenute sperimentalmente: sui diversitesti di metallurgia se ne possono trovare altre differenti, seppur di poco. Ciò accade

perché il diagramma di stato è relativo a condizioni di equilibrio, raggiungibili soloin un tempo infinito, per cui difficile è determinare quantitativamente le temperaturecorrispondenti alle varie trasformazioni.

Perché il Fe ha due forme allotropiche? La ragione è di tipo termodinamico: da

temperatura ambiente sino a 910°C è minore l‟energia libera della fase CCCrispetto a quella della fase CFC; il comportamento si inverte nell‟intervallo 910°C1400°C. La fase è analoga alla fase con un leggero aumento delle costantireticolari in conseguenza dell‟aumento di temperatura

Conseguenza di ciò è che la solubilità del C nel Fe è maggiore che nel Fe

essendo la solubilità del C legata alla disponibilità di spazi liberi nel reticolo.Quando disegniamo una cella elementare riportiamo solo i baricentri degli atomi; in




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realtà però se andiamo a considerare gli atomi come sfere di raggio pari al raggioatomico medio, in alcuni casi essi si „toccano‟.

Nel reticolo CCC ciò accade lungo la diagonale della cella, per cui gli spazi liberisono il centro faccia ed il centro spigolo; nel reticolo CFC ciò accade sullediagonali delle facce, per cui gli spazi liberi sono il centro cella ed il centro spigolo

I raggi dei siti della cella CFC sono notevolmente superiori a quelli della cellaCCC; in particolare r 10.02 r Fe ed r 20.25 r Fe per cui troveremo il C essenzialmente acentro cella ( soluzione solida interstiziale). Quanti atomi ci sono nella cella CFC?Considerando gli atomi ai vertici della cella in comune con otto celle, quelli alcentro della faccia in comune con due, è facile calcolare che alla cella CFCappartengono 4 atomi di Fe. In ogni cella entra un atomo di C per cui il limiteteorico di solubilità è del 20% atomico in C e dell' 80% atomico in Fe,corrispondente al 5.1 % in massa. Ma in realtà la solubilità di C è assai inferiore.Ciò accade perché il raggio del C è maggiore di quello del sito più ampio adisposizione nella struttura CFC e quindi la sua introduzione nel reticolo del Fecomporta una certa deformazione.

Nel Fe la solubilità è modestissima (0.02, 0.03%) in quanto la distorsioneconseguente all‟introduzione di C è enorme.Osserviamo infine che la curva riguardante l‟equilibrio grafite - liquido ètratteggiata; la grafite dovrebbe infatti fondere ad una temperatura superiore ai3000°C.




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Si consideri ora il diagramma di stato metastabile, che come già detto, viene seguito per le trasformazioni allo stato solido:

Lega allo0,4%

Le trasformazioni di invarianza si hanno a temperature inferiori a quelle checompetono al diagramma di stato stabile; esiste infatti un ritardo nelletrasformazioni legato alla velocità di trasformazione (inerzia); il massimo

dell‟effetto si ha sulla temperatura della trasformazione eutettica che passa da1154°C a 1148°C. Nel diagramma metastabile si ha un limite a destra corrispondente al 6.67% di C(Fe3C). La cementite ha una temperatura di fusione attorno ai 1300°C; essa non èsperimentalmente raggiungibile in quanto al riscaldamento la cementite tende adecomporsi in Fe + Cgrafite.Importante è il limite di solubilità del C nel Fe (pari al 2.11%) poiché in base adesso distinguiamo acciai e ghise: acciaio è una lega Fe-C con tenore di C minore al2.11%, ghisa è una lega Fe-C con tenore di C superiore al 2.11%. Da un altro puntodi vista, gli acciai sono leghe per le quali non si hanno trasformazioni di tipoeutettico nel corso del raffreddamento.

Si osservi cosa succede al raffreddamento di un acciaio ipoeutettoidico (con circa0.4% di C). Alla temperatura T1 dal liquido segrega la ferrite. Successivamente ilsolido si arricchisce di C, così come il liquido la cui composizione tende a quelladel liquido peritettico; aumenta la frazione di solido e progressivamente diminuiscequella di liquido.Alla temperatura peritettica inizia a separarsi la fase di composizione pari a 0.17%




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di C. Quando tutta la ferrite è scomparsa per reazione con il liquido peritettico, latemperatura ricomincia a discendere: la fase si arricchisce in C così come illiquido che progressivamente scompare. A partire da T2 ho solamente austenite,sino a T3 quando inizia la segregazione di ferrite.La temperatura subisce un nuovo arresto quando si arriva alla temperatura

eutettoidica dove austenite rimasta si decompone in ferrite e grafite (se siseguisse il diagramma stabile, mentre si registra sperimentalmente che in questecondizioni si segue essenzialmente quello metastabile e quindi austenite sitrasforma in perlite); alla scomparsa dell'austenite la temperatura può nuovamenteridiscendere.

T

T1 +liq

T2

Tp

T3Te

++liq

+liq

+

++Fe3 C

t

1.

Ferrite (zone chiare)+ perlite (zone scure) in un acciaio ipoeutettoidico




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Per un acciaio eutettoidico, il cammino al raffreddamento è il medesimo; alla fine siavrà solamente una miscela meccanica di ferrite e cementite che prende il nome diperlite, poiché al microscopio metallografico presenta un colore madreperlaceo. La

perlite non è una fase ma un miscuglio meccanico di due fasi nelle proporzioni che

posso ricavare con la regola della leva:

% ferrite = (6.67-0.8)/(6.67-0.02) = 88% % Fe3C = 12%

Il costituente prevalente della perlite è dunque la ferrite. A bassi ingrandimenti èdifficile risolvere con il microscopio metallografico la ferrite dalla cementite e perquesto motivo a questa miscela si dà un unico nome. Con gli attuali microscopielettronici a scansione si possono perfettamente apprezzare le due fasi costituenti la

perlite.

2. Perlite




30

Per un liquido di composizione ipoeutettica la prima fase che segrega alraffreddamento è l‟austenite. Quando arrivo all‟eutettico ciò che accade dipendedalla velocità di raffreddamento: se essa è elevata il sistema segue il diagrammametastabile e si ha segregazione di austenite e cementite (ledeburite), se essa èlenta il sistema segue il diagramma stabile. Da qui la differenza tra ghise bianche e

ghise grigie: nelle prime, ottenute seguendo il diagramma metastabile, la frattura halucentezza metallica poiché metalliche sono le fasi presenti; nelle seconde, ottenuteseguendo il diagramma di stato stabile, la frattura ha colore grigiastro per la

presenza di grafite.

3. Ledeburite

Per un liquido di composizione ipereutettica si ha generalmente al raffreddamentola segregazione di C sotto forma di grafite ( grafite proeutettica) ed il liquido

progressivamente si impoverisce di C. Arrivati alla temperatura eutettica il liquidoscompare per lasciare posto a che cosa? Dovendo avere luogo una trasformazionetra fasi solide, si potrebbe pensare che il processo segua il diagramma di statometastabile, ma ciò non accade perché i cristalli di grafite proeutettica tendono adaccrescersi a spese del C che cede il liquido. Arrivati alla temperaturadell‟eutettoide la trasformazione segue il diagramma di stato metastabile: l‟austenitescompare per lasciare il posto alla perlite. Il risultato finale sarà dunque costituito dacristalli di grafite immersi in una matrice perlitica.Come vedremo più oltre tale matrice può essere modificata grazie al trattamento

termico di ricottura, che provoca la decomposizione della perlite e lascia unamatrice completamente ferritica.




31

4. Noduli di grafite immersi in una matrice ferritica (di ricottura)

Trasformazioni

Dell’austenite Quando c‟è meno dello 0.77% di C in lega, entrando nel campo bifasico di γ, dall‟austenite iniziale inizia a formarsi a bordo grano ferrite che si „espande‟

ulteriormente verso il centro del cristallo, tanto più quanto più bassa è la percentuale di C.Se la percentuale di C è 0.77%, si formerà tutta perlite al posto del cristallodi austenite originario.Ancora, sopra lo 0.8% di C in lega, si formerà a cuore perlite e individua il granodi austenite originario tramite il reticolato della cementite formata a bordo grano.

ferrite

Fenomeni diffusivi del C

durante raffreddamento, %C

< 0.77% (Cinetica di

formazione delle colonie)




24

Durante il raffreddamento si verrà a creare un eccesso di C nell‟austenite durante la suatrasformazione in ferrite; il C dunque sarà costretto a diffondere per ragioni termodinamiche(ricordiamo che la solubilità del C nella ferrite è minore rispetto l'austenite) favorendo laformazione di zone ricche di C che in seguito cristallizzeranno in lamelle cementitiche.

Tuttavia avremo anche zone impoverite di C in seguito alla sua diffusione, le quali darannovita a lamelle di tipo ferritico. (Vedasi la Fig. 5)

L‟interasse tra due lamelle di ferrite o di cementite si chiama distanza

interlamellare. Qual è il tempo a disposizione perché si formino le colonie perlitiche?A 727°C in condizioni di equilibrio la temperatura rimane costante finché esisteaustenite (condizioni di invarianza), ma la velocità di asportazione del caloreinfluenza le trasformazioni Raffreddando lentamente si avrebbe un tempo moltolungo, e quindi molto tempo per i fenomeni diffusivi, ottenendo lamelle spesse edistanti; invece raffreddando velocemente si avranno lamelle sottili e vicine.

A velocità ancora più alte (in funzione del tenore di carbonio) il C non riesce più aduscire dal reticolo dell‟austenite dando luogo a una nuova fase chiamata martensite

(forma allotropica metastabile dell‟acciaio).

Figura n 5 . Formazione della perlite

Focalizziamo ora la nostra attenzione sulla trasformazione austenitica.

Indichiamo con A1 la temperatura alla quale si ha la trasformazione

eutettoidica e con A3 la temperatura di austenitizzazione. Esse si riferisconoa trasformazioni realizzate in condizioni di equilibrio; A3 è funzione della

percentuale di C in lega ed A1 è funzione della velocità di riscaldamento vc o diraffreddamento vr. Sperimentalmente si osserva che A1 > Ar1 e che A1 < Ac1: perun acciaio, la trasformazione eutettoidica si ha dunque al riscaldamento ad unatemperatura maggiore di quella di equilibrio ed al raffreddamento ad unatemperatura inferiore. Per definizione A1 corrisponde ad una situazione in cui vc

= vr = 0. Un comportamento del tutto analogo si ha per quanto riguarda latemperatura A3. Se ad esempio riscaldo con una vc = 5°C/h Ac3

A3 ma con vc = 5°C/s Ac3 >> A3.




25

Le velocità di raffreddamento influenzano dunque la struttura finale della perlite,vi è una correlazione tra i due fenomeni! Alte velocità di raffreddamento portano astrutture maggiormente „fini‟ poiché i fenomeni diffusivi vengono limitati mentreviene favorita la nucleazione; viceversa per velocità di raffreddamento basse, la

nucleazione sarà limitata e la diffusione enfatizzata.

Trasformazioni al raffreddamento

Si noti come A3 diminuisce più velocemente in funzione di Vr rispetto ad A1 fino al punto incui A3 = A1; al di sotto della V critica inf. I fenomeni diffusivi sono permessi sia a corto chelungo raggio, prima avviene la trasformazione di austenitizzazione e successivamentel‟austenite si trasforma in ferrite proeutettoidica fino al punto di equivalenza di A1 e A3.

Superata la V critica inf. sarà presente una certa quantità di austenite metastabile che non ha partecipato alla trasformazione in ferrite e sarà proprio tale austenite a prendere parte allatrasformazione martensitica.Velocità superiori alla V critica superiore tenderanno a innescare nel sistema trasformazioni

solamente di natura martensitica!




26

Trasformazione Martensiti ca .

La trasformazione martensitica è influenzata solo dalla temperatura alla quale avviene equesta ( martensite start Ms) non è governata da fenomeni diffusivi; si avrà dunque solo unriassestamento del reticolo cristallino: l‟atomo di C al centro della cella CFC passa in

posizione interstiziale nel reticolo tetragonale corpo centrato.

Il C vorrebbe uscire per dare origine alla ferrite, ma non riesce e quindi passa in posizione interstiziale sugli spigoli. Ma la cella CCC ha costante reticolare pari ad a0 e se ilC tende ad occupare gli spigoli (una frazione) all‟aumentare della percentuale di C la cellaCCC subisce una deformazione (deformazione di Bain) che crea un allungamento della cella erelativa diminuzione del lato di base. Anche se in realtà solo una piccola parte degli spigoli èoccupata, il C interstiziale crea numerosi vincoli e ostacola il movimento delle dislocazioni:

per questo motivo la martensite è una fase molto dura e poco deformabile plasticamente.

http://www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/2003/Lattices/bain.html

La trasformazione martensitica provoca un cambiamento drastico della struttura, par questo è fondamentale nel rafforzamento degli acciai. Ad esempio:

C<0.2% acciai dolci ottimi per lavorazioni di deformazione plastica afreddo

0.3%<C<0.5% acciai strutturali o meccanici per lavorazioni conasportazione di truciolo

C>0.8% acciai duri o da utensile sui quali è consigliabile (dopo bonifica)la rettifica







27




28

Trasformazioni Abbiamo due possibili approcci per valutare le trasformazioni in seguito a rapidi

di fase in

funzione del

tempo

raffreddamenti: la via teorica a temperatura costante (isoterma)→ curve TTT

(Temperature Time Transformation)

la via reale a velocità di raffreddamento costante (anisoterma)→ curveCCT (Continuous Cooling Transformation)

Le curve TTT Queste curve vengono costruite nell‟ipotesi di seguire una legge di raffreddamentoideale: si deve passare istantaneamente da una temperatura di completaaustenitizzazione alla temperatura di interesse e poi mantenere la temperaturasino a che la trasformazione non è conclusa.In pratica si pone il materiale in un forno di austenitizzazione, da qui in un forno ditrasformazione (ipotizzando che la temperatura passi istantaneamente da quella diaustenitizzazione a quella di mantenimento) dove lo si lascia per un tempo infinito

(minore è la temperatura e minore è il tempo richiesto per il completamento dellatrasformazione: all‟inizio della trasformazione infatti, devono formarsi nuclei dicristallizzazione con abito diverso da quello austenitico e la spinta termodinamica ètanto maggiore quanto minore è la temperatura). Supponendo di considerare unacciaio di tipo eutettoidico, si riportano in un diagramma i punti di inizio e di finedella trasformazione dell‟austenite in perlite.

http://info.lu.farmingdale.edu/depts/met/met205/tttdiagram.html






29

Il parametro che controlla il processo è la velocità di nucleazione: abbassando latemperatura la velocità aumenta inizialmente; ad un certo punto il rallentamento deifenomeni diffusivi diviene preponderante ed i tempi iniziano ad allungarsi („naso‟

della curva; in corrispondenza di questa temperatura ho il migliore compromesso traaumento della velocità di nucleazione e diminuzione di quella di diffusione).

A temperature inferiori si incontra il punto Ms, temperatura alla quale inizia aformarsi il primo cristallo di martensite.Giunti alla temperatura Mf tutta l‟austenite di partenza diviene martensite. Tra Ms

ed Mf parte del materiale diviene istantaneamente martensite (non è richiestadiffusione) ed il resto segue le trasformazioni previste dalle curve di Bain.Sulle curve a temperatura superiore ad Ms si può valutare anche il tempo di

incubazione, cioé il tempo che intercorre fra l‟istante in cui si porta il materiale allatemperatura di interesse e l‟istante in cui inizia la trasformazione. Essa segue unalegge di tipo sigmoidale.




30

L‟ampiezza della curva sigmoidale ci suggerisce a quale trasformazione si riferisce: La curva 1 si riferisce ad una temperatura di partenza vicina a quella dell‟eutettoide,il tempo di incubazione è elevato e la trasformazione è relativamente breve; la curva2 si riferisce ad una temperatura vicina al „naso bainitico‟ (la velocità ditrasformazione è minore per il rallentare dei fenomeni diffusivi); la curva 3 siriferisce ad una temperatura molto al di sotto del „naso‟.




31

Si è detto, parlando della struttura perlitica, che la distanza interlamellarediminuisce al diminuire della temperatura . Osservando la struttura al microscopiometallografico (2000X) ad un certo istante non si distingue più la perlite. Solo con

un microscopio elettronico a scansione (oltre i 10000X) osservo una strutturaestremamente fine (bainite). Individuo due forme di bainite: la bainite superiore (siforma a temperature più elevate ed è costituita da una miscela meccanica di ferrite ecementite in cui la cementite a bastoncelli e non lamellare) e la bainite inferiore (siforma a temperature inferiori ed in essa non troviamo cementite ma carburitondeggianti, essenzialmente non di equilibrio, ad esempio il carburo (Fe2,3C), piùricco di C rispetto al carburo previsto dal diagramma di stato, perché formato a

bassa temperatura, quando la diffusione è rallentata).Dal punto di vista meccanico passando dalla perlite che è una miscela di lamelleduttili (ferrite) e lamelle fragili (cementite); nella bainite si passa ad una miscela

particolarmente intima di ferrite e cementite che tende ad assumere un

comportamento „medio‟. La bainite possiede quindi una buona tenacità se confrontata con la martensite e unaresistenza a trazione maggiore rispetto alla perlite.

http://www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/italian/bainiait.html







32

8. Bainite inferiore




33

9.

Bainite superiore




34

Le curve CCT Le curve TTT vengono costruite nell'ipotesi di eseguire un raffreddamento ideale;nella realtà ciò non accade, per cui non sarebbe corretto sovrapporre ad esse lecurve indicanti il raffreddamento reale per individuare le trasformazioni cheinteressano il materiale. In prima approssimazione è prassi consueta fare iragionamenti seguenti:

T

12

T0 T1 T2

Log t

La curva 1 si riferisce ad una velocità di raffreddamento costante v1 (= vcs) edessendo tangente alla curva di inizio trasformazione tutta l'austenite si trasforma inmartensite; la curva 2 si riferisce ad una velocità di raffreddamento costante v2 (=vci) in conseguenza della quale tutta l'austenite subisce una trasformazione di tipoeutettoidico. La velocità v2 è sicuramente molto inferiore a v1 (si osservi che lascala dei tempi è logaritmica). Le curve di raffreddamento sono però statesovrapposte a curve di raffreddamento continuo; cosa comporta il raffreddamento

continuo rispetto a quello ideale?In qualsiasi istante, i punti della curva reale sono molto al di sopra della curvaideale. Tra T0 e T1 nella trasformazione reale non succede nulla mentre in quellaideale questo è un periodo di incubazione, nel quale si formano i germi dinucleazione. Tra T1 e T2 la nucleazione avviene a temperature maggiori a quelle chesi hanno idealmente. Il sottoraffreddamento reale, cioè la distanza tra la temperaturadi equilibrio e la temperatura di raffreddamento reale, è sempre inferiore alsottoraffreddamento ideale (di valore costante pari alla differenza fra la temperaturaA1 e quella di trasformazione); ciò comporta una minore tendenza alla nucleazionenel caso reale rispetto a quello ideale. Per un raffreddamento reale il tempo diincubazione sarà dunque superiore di quello ideale. Si consideri, nel graficoseguente, la variazione della % di trasformazione nel tempo in conseguenza di unraffreddamento con v = vcs nel caso reale e nel caso ideale.

% tras

100%

(Vcs)i (Vcs)r

t




35

Come cambiano le curve TTT nel caso di un raffreddamento reale? Esse si spostanoin basso ed a destra e divengono curve CCT (Continous Cooling Transformation)

T

Ms

Mf

t 1 t 2 t ’2

Log tt 3

Sovrapponendo la curva di raffreddamento reale alle CCT di figura si individuanoalcuni istanti caratteristici: a t1 inizia la trasformazione di tipo eutettoidico(austenite perlite), a t2 si arresta la trasformazione austenite perlite e permaneuna certa quantità di austenite (austenite residua), tra t2 e t2‟ non ci sonotrasformazioni, a t3 tutta l‟austenite residua diventa martensite.Le curve di raffreddamento continuo sono dunque quelle corrette per individuare letrasformazioni; il loro tracciamento implica però notevoli difficoltà in quantooccorre utilizzare mezzi di raffreddamento con diversa capacità raffreddante. Perquesto motivo è più semplice descrivere le trasformazioni con le curve TTT. Infattiraffreddando con una velocità pari a quella della curva 1, questa condizione é piùche sufficiente per garantire la trasformazione martensitica totale (essendo a sinistradel naso della curva CCT).Dal momento che le curve CCT descrivono il comportamento reale dei materiali,come si individua la trasformazione bainitica?

Negli acciai convenzionali (al C) il Bs è compreso nella zona che interessa latrasformazione perlitica: il naso della trasformazione bainitica va a coincidere con ilnaso della trasformazione perlitica

T

Bs

Log t




36

Negli acciai legati le curve TTT hanno invece due nasi distinti: il primo relativo allatrasformazione austenite perlite, il secondo relativo alla trasformazione austenite bainite.

T

t 1 t 2 t 3 t 4

Log t

A t1 inizia la trasformazione austenite perlite che si conclude a t2, a t3 partedell‟austenite residua si trasforma in bainite, a t4 l‟austenite rimasta si trasforma inmartensite.

Nelle curve CCT relative ad acciai convenzionali non si ha indicazione dellatrasformazione bainitica; nelle curve relative ad acciai legati esse si presentano

invece nel modo seguente

T

Bs

Ms

Log t

Negli acciai legati si ha dunque modo di giungere a strutture complesse con lacontemporanea presenza di perlite, bainite e martensite.




37

La Al tempo 0 ci troviamo ad una temperatura superiore ad A3 cioè completamente intrasformazione campo austenitico. Si raffredda la lega istantaneamente fino alla temperatura di

perlitica trasformazione dell‟austenite e la si mantiene a questa temperatura per tutto iltempo necessario al completamento della trasformazione. A temperature poco

inferiori ad A3 si hanno velocità di nucleazione modeste e velocità di diffusioneelevate: otterremo così una perlite a grande distanza interlamellare fermo restandoche è necessario un tempo di incubazione che permette ai germi di cristallizzazionedi formarsi e mantenersi stabili.La trasformazione inizia in 1 e termina in 2.

1 2

Si noti cosa succede nei casi reali, cioè quando il raffreddamento è continuo: Seeffettuiamo un raffreddamento e rileviamo le temperature e le trasformazioni che

avvengono nel tempo, osserviamo che: tutto t0 è utile all‟incubazione perché tutto sotto la temperatura ditrasformazione eutettoidica i fenomeni di nucleazione non sono ancora iniziati poiché sopra A3 einizieranno in t1, dunque per completare la nucleazione è necessario un tempoancora superiore. in t2 inizia il „guadagno‟ e si nota che le trasformazioni sono ritardate (ineffetti rispetto alle curve TTT le curve CCT sono spostate a destra e verso il

basso).




38

Curva CCT relativa ad un acciaio eutettoidico

T

A3

A1

Bs

Ms

Mf

Log t

Alla velocità v0 inizia la trasformazione perlitica in 1, non si interseca maila curva di fine trasformazione ma si incrocia quella di Ms e Mf . Si noti dunque chea determinate temperature la trasformazione perlitica si interrompe, l‟austenite sitrasforma in perlite e ad una determinata temperatura l‟austenite residua sitrasforma in martensite dando quindi origine a una struttura con compresenza di

perlite e martensite. Alla velocità critica superiore avremo tutta perlite, a quella inferiore tuttamartensite.

Per acciai non eutettoidici:

Con un raffreddamento abbastanza lento v1, partendo da una fasecompletamente austenitica, in 1 inizia a formarsi ferrite, in 2 perlite e in 3 finisce

la trasformazione. Otterremo in questo caso una quantità di ferrite inferiorerispetto alle condizioni di equilibrio.




39

in 2 non si forma più ferrite ma solo perlite. In 4, quando si attraversa il Ms,l‟austenite residua inizia a trasformarsi in martensite fino all‟attraversamento diMf . A velocità di raffreddamento pari alla velocità critica superiore non siforma più perlite, ma solo martensite.

A velocità pari alla velocità critica inferiore si forma solo perlite.

Per acciai legati ipoeutettoidici avviene anche la trasformazione bainitica.

T 1 2

A3

A1 3

4 Bs

Ms

Mf

Log t5

6

Riferendoci alle curve CCT si osserva che in:

1 inizia a formarsi ferrite 2 fine ferrite e inizia a formarsi perlite 3 fine perlite

4 inizia a formarsi bainite

5 fine bainite e inizia a formarsi martensite 6 fine martensite




40

Osserviamo quindi che si individua una nuova linea Bs. La bainite si formaattraverso fenomeni di diffusione e il suo costituente principale è la ferrite.

Formula

empirica delmartensite

start

Gli elementi leganti agiscono sulle curve di trasformazione spostando a destra e in

basso le curve di Bain, in quanto, siano essi sostituzionali o interstiziali, provocanouna distorsione nel reticolo dell‟austenite (distorsione che dipende dalla quantità dilegante e dalla differenza di elettronegatività, causa di perturbazioni di tipoelettrico) che ostacola le trasformazioni (legate a processi diffusivi appuntoostacolati in un reticolo distorto). Il nuovo punto di inizio della trasformazionemartensitica può essere individuato con la seguente espressione di tiposperimentale:

FC = 1-0.62 %C

Ms = 514 x Fx -18

Fcr = 1-0.07 %CrFni = 1-0.045 %Ni

Fmn = 1-0.092 %MnFSi = 1-0.033 %SiFCo = 1+0.012 %Co

Fi diminuisce tanto di più quanto maggiore è il coefficiente della percentuale dell‟elemento di lega,di conseguenza l‟effetto austenitizzante del C è molto maggiore di quello dovuto al Cr. Il C èinfatti un elemento interstiziale che dà un effetto distorcente tale da rendere difficoltosi i processidiffusivi e possiede inoltre un‟elettronegatività molto diversa da quella del Fe. Perciò l‟elemento

che abbassa di più Ms è il C. Osserviamo che in presenza di più elementi leganti ciascuno di essiabbassa Ms della quota che gli è corrispondente



41



42

I TRATTAMENTI TERMICI

http://it.wikipedia.org/wiki/Trattamenti_termici_degli_acciaihttp://www.youtube.com/watch?v=COasmrnxbqghttp://www.youtube.com/watch?v=6P0J3Gi87-g

http://www.youtube.com/watch?v=fLvZkZxiXnE I trattamenti termici sono particolari cicli termici a cui si assoggetta il materiale pergarantire alcune caratteristiche prestazionali, ad esempio per migliorarne la deformabilità

plastica a freddo, migliorarne la resilienza, etc.. Si hanno due tipi di trattamenti termicidistinti: sul grezzo (per lo più massivi) e sul finito (per lo più superficiali).Con trattamenti termici sul grezzo si intendono quei trattamenti in cui non interessaevitare ossidazione superficiale, decarburazione, danneggiamento della zona superficiale,in quanto essa sarà sicuramente asportata dalle lavorazioni meccaniche successive.

Nei trattamenti termici sul finito invece, si vuole preservare la zona superficiale, in quantoessa sarà al massimo interessata da successive operazioni di finitura (rettifica), chemanterranno quasi tutta la zona superficiale in servizio.

Il trattamento sul grezzo è prevalentemente eseguito in aria (in alcuni casi sottovuoto),mentre quello sul finito è eseguito in atmosfera controllata (sotto vuoto o con atmosferesintetiche).Ogni Trattamento Termico è caratterizzato da 3 fasi principali :

Salita - Riscaldamento

Mantenimento Discesa - Raffreddamento

Nel riscaldamento dei pezzi destinati al trattamento termico, ovvero nella fase di salita, la

temperatura tra il „cuore‟ del pezzo e la „ pelle‟ sarà diversa, questo stesso divario è tantomaggiore quanto minore è la conducibilità termica del materiale. Pezzi massicci ed a bassa conducibilità termica devono essere pertanto riscaldati a bassa velocità; infatti, inconseguenza dell‟incremento di temperatura, la superficie del materiale si dilaterebbe,andando in trazione, inducendo nel cuore una compressione.Quando trazione > rottura si forma una cricca: per diminuire la tensione di trazione devoridurre la differenza di temperatura tra superficie e cuore, operando quindi un oculato

preriscaldamento portando la superficie ad una temperatura T1 e lasciando per un certotempo il materiale a temperatura costante, per dare tempo al cuore di raggiungere latemperatura della superficie. Questo tempo è influenzato dal valore della conducibilità delmateriale: meglio il materiale conduce il calore e minore è il tempo di permanenza in

temperatura (il Fe ha una media conducibilità termica - 73W/m°C - mentre quella degliacciai inossidabili e degli acciai molto legati è decisamente più bassa - ~20W/m°C).

http://it.wikipedia.org/wiki/Trattamenti_termici_degli_acciai

http://www.youtube.com/watch?v=COasmrnxbqg

http://www.youtube.com/watch?v=6P0J3Gi87-g


http://www.youtube.com/watch?v=fLvZkZxiXnE




http://www.youtube.com/watch?v=COasmrnxbqg

http://it.wikipedia.org/wiki/Trattamenti_termici_degli_acciai



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Operando un preriscaldamento a „gradini‟ si evita la formazione di cricche e si giunge aduna temperatura superiore a quella di austenitizzazione; ciò può essere finalizzato o adistruggere una struttura preesistente, per eliminare eventuali problemi strutturali, o perfavorire il passaggio ad una struttura differente (martensite). La fase di ricristallizzazionedel materiale con passaggio da una struttura di bassa temperatura ad una di alta può servire

per eliminare gli inconvenienti derivanti dai processi termomeccanici precedenti.Consideriamo ad esempio un processo di deformazione plastica a freddo come latrafilatura di un filo con struttura fibrosa ferritico-perlitica.

La fase deformabile plasticamente è la ferrite: i suoi cristalli si orientano nella direzione dideformazione e risultano alla fine fortemente incruditi, oltre al fatto che il materiale non è

più isotropo. Con un trattamento termico di ricottura (passaggio a struttura austenitica) si possono indurre caratteristiche isotrope al materiale. L‟austenitizzazione quindi elimina glieffetti dovuti a processi di deformazione plastica a freddo.Si consideri ora un lingotto: il cuore ha una maggiore concentrazione degli elementi dilega e per eliminare questa differenza di composizione tra cuore e pelle, si dovrannofavorire i fenomeni di diffusione. Ciò si realizza mantenendo la lega in temperatura per un

tempo sufficiente perché questi fenomeni di diffusione abbiano luogo (il tempo deveessere comunque tale da limitare fenomeni di ingrossamento del grano austenitico). Iltrattamento termico può dunque anche servire per eliminare eventuali discontinuitàchimiche.



44



45

Ricottura completa (I percr iti ca)

E‟ una ricottura Ipercritica, ovvero la temperatura del trattamento termico è superiore alla

temperatura di austenitizzazione A3 (circa 50°-80°C al di sopra in funzione del tenore di elementi inlega) caratterizzata da lunghi mantenimenti in T e raffreddamenti lenti e progressivi in forno. Gli

effetti attesi e desiderati saranno dunque di Ricristallizzazione e Omogeneizzazione del pezzo,motivo per cui tale ricottura viene sovente applicata a pezzi di grandi dimensioni (es lingotti che

presentano discontinuità composizionali in seguito a raffreddamenti non omogenei a causa delledimensioni stesse del pezzo) o pezzi che dovranno subire successive lavorazioni meccaniche, infattila ricottura ipercritica ha l‟effetto di ricristallizzare la matrice rimuovendo qualsiasi incrudimento

precedentemente imposto.

E‟ normale aspettarsi le curve CCT decisamente spostate verso destra ottenendo una strutturagrossolana formata solamente da ferrite e perlite in seguito al lungo mantenimento in temperaturacio‟ comporterà purtroppo una notevole diminuizione della tenacità (grani cristallini di dimensioni

maggiori) e non trascurabile un notevole dispendio energetico per il raggiungimento dellatemperatura insieme al blocco dei forni per il lento raffreddamento.Una variante è la normalizzazione, sempre ipercritica ma con mantenimenti modesti in temperaturae raffreddamento in aria calma e non in forno, ottenendo una struttura analoga alla ricotturacompleta.

Ricottura I sotermi ca (Ipercr iti ca + Subcri tica)Tale Trattamento termico di ricottura è composto sostanzialmente da due fasi distinte: una primafase di salita e mantenimento ad una T ipercritica tale da indurre austenitizzazione nel pezzo ed unaseconda fase che è caratterizzata inizialmente da un raffreddamento mediamente rapido fino a T di

poco inferiori ad A1 (circa 700°C) ed un successivo mantenimento a tale temperatura tale daconsentire la completa trasformazione dell‟austenite, infine la tappa finale consta in un lento

raffreddamento fino a T amb.Il risultato finale sarà una struttura omogenea di perlite e ferrite unita ai benefici portati dallacoalescenza dei carburi grazie al mantenimento della T sotto A1; infatti durante tale mantenimentosi induce una parziale sferoidizzazione della cementite Fe3C a seguito di una diminuzione dellatensione superficiale tra ferrite e cementite. La ricottura Isotermica ci permette di avere effetti similialla ricottura completa ma in minor tempo insieme ad un miglioramento della lavorabilità.



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Ipercritica Subcritica Ipercritica + Subcritica (isoterma)



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Ricottur a di Sferoidizzazione

Per ricottura subcritica di sferoidizzazione si intende un trattamento di ricottura effettuato pocoal di sotto della temperatura di trasformazione eutettoidica A1; la salita è fino a T < A1 , unmantenimento prolungato seguito da un lento raffreddamento. Durante il mantenimento viene

favorito il fenomeno di coalescenza dei carburi (rispetto ad una ricottura isoterma vi è unadifferenza sostanziale nel tempo di mantenimento e di conseguenza nella struttura finaleottenuta) durante il quale i carburi più piccoli si accresceranno a spese dei più piccoliformando globuli di cementite via via più grandi man mano che il mantenimento prosegue;come già citato nella ricottura isoterma, una cementite globulare favorisce le lavorazionimeccaniche, perché?

Immaginando i fenomeni che avvengono durante la lavorazione meccanica, di taglio easportazione del truciolo, uno sferoide di cementite usura in maniera minore l‟utensile durante

la fase di taglio in virtù della forma sferoidale e rispetto ad una cementite lamellare si trova incondizioni di maggior stabilità a causa della diminuzione della tensione superficiale; unacementite globulare porta alla diminuzione della durezza del pezzo ma ad un aumento dellatenacità, il che al momento risulta essere più un vantaggio che uno svantaggio portando il pezzonelle massime condizioni di addolcimento e plasticità possibili.

Su che tipo di acciaio posso effettuare un‟efficace ricottura di sferoidizzazione?

Sicur amente su acciai ipoeutettoidici l‟effetto sarà scarsamente apprezzabile se il pezzo è

destinato a lavorazioni per asportazione di truciolo, il basso tenore di C porterebbe ad avere pochi carburi disomogenei, oltre tutto un acciaio ipoeutettoidico è già un acciaiosostanzialmente dolce, consigliato invece quando il pezzo sarà destinato a stampaggio a freddo.

Parlando di acciai ipereutettoidici la ricottura di sferoidizzazione rappresenta l‟unico mezzo

efficace per aumentare la lavorabilità dell‟acciaio, essendo un acciaio duro con valori di C al disopra dello 0,77% senza sferoidizzazione la rottura e l‟asportazione del truciolo risulteranno

notevolmente difficoltose.

Attenzione, la coalescenza dei carburi non sempre porta solo benefici, difatti nei trattamentitermici successivi quali la bonifica carburi globulari di dimensioni troppo grandi potrebberonon passare in soluzione durante il trattamento, portando a forti disomogeneità strutturalidecisamente indesiderate.

Una variante della ricottura di sferoidizzazione è la ricottura pendolare, che consiste inriscaldamenti inter critici (tra A3 e A1) alternati a mantenimenti in temperature poco inferioriad A1, tale variante permette un‟evoluzione della coalescenza dei carburi più veloce, insieme

ad una migliore omogeneità strutturale.



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Ricottur a di distensione (Subcri tica)

Tale ricottura permette di eliminare le tensioni interne del pezzo presenti per diversi motivisenza sensibili variazioni delle altre caratteristiche ottenendo anche una certa stabilitàdimensionale favorendo i fenomeni di climbing e ricombinazione delle dislocazioni.Generalmente si riscalda a temperature inferiori ad A1, circa 650°C. Esempio di applicazione :

pezzi saldati che in seguito a fenomeni di ritiro presentano tensioni interne.

Bonifica In metallurgia la bonifica è l‟insieme della tempra (quench) e del rinvenimento(annealing o tempering )



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Tempra La tempra è un trattamento termico nel quale il materiale viene riscaldatoad una temperatura sopra A3 e raffreddato più o meno rapidamente.http://www.youtube.com/watch?v=3QOjMuI7V90

La trasformazione alla base di questo trattamento è quella dell‟austenite inmartensite, che causa un conseguente aumento della durezza, della resistenza atrazione e diminuzione della tenacità; il rinvenimento successivo mira atrasformare la martensite in strutture simili alla bainite, in modo da avere allafine il materiale che accoppia le migliori condizioni di tenacità a valori

relativamente buoni di resistenza a trazione e durezza. Durante la trasformazionemartensitica, poiché il C salta in posizione interstiziale nella lacuna tetraedricadella cella CCC creando così una distorsione del reticolo, il volume dellamartensite (temperature basse) è maggiore di quello dell‟austenite (temperaturealte). Questo aumento di volume fa nascere tensioni interne. Infatti la superficie siriscalda e si raffredda più velocemente del cuore, perciò si crea uno stato nelquale il cuore è in compressione e la superficie in trazione.

http://www.youtube.com/watch?v=3QOjMuI7V90





50

E‟ possibile minimizzare le tensioni interne riducendo la differenza di temperatura tra cuoree superficie effettuando una serie di preriscaldamenti e solo successivamente temprare.

La superficie si espande al riscaldamento per dilatazione termica, e al raffreddamento perespansione del reticolo. La differenza sostanziale è che a temperatura alta la superficie siespande ma, poiché la cella è CFC, è duttile e non si generano tensioni, mentreraffreddandola si crea una fase estremamente dura ed è facile che si perda la stabilitàdimensionale del pezzo con la conseguente creazione di deformazioni o nel peggiore dei casila rottura del pezzo.Maggiore è la complessità del pezzo da temprare, maggiore sarà la deformazione.



51

1 2 3 4

L‟efficacia della tempra effettuata sul pezzo da cosa dipenderà?

Prendendo in esempio 4 diverse curve di raffreddamento sul diagramma CCT, esse sarannoinfluenzate dalla drasticità del mezzo usato, poiché influenza la velocità di raffreddamento; la

curva 1 a fronte di ciò sarà ottenuta temprando con un mezzo abbastanza drastico (H2O) permettendoci di ottenere 100% Martensite, notare che le curve di inizio trasformazione delle altrefasi non vengono intersecate. Nel caso in cui ponessimo costante la drasticità del mezzo, cosainfluenzerebbe a questo punto il diverso andamento delle 4 curve di raffreddamento? Ledimensioni hanno un peso notevole, oltre alla complessità della forma, pezzi di dimensionimaggiori dovranno essere temprati in mezzi molto drastici per avere la stessa % di Martensiterispetto a pezzi di dimensioni minori.

A questo punto possiamo individuare i diversi fattori che influenzano la diversa natura delle 4curve; il diametro del pezzo sarà CRESCENTE partendo dalla curva numero 1 fino al numero 4 a

parità di drasticità del mezzo; mentre la drasticità del mezzo usato sarà DECRESCENTE partendodalla curva numero 1 fino alla curva numero 4.

Ovviamente anche la composizione chimica influenzerà la temprabilità del pezzo.



52

Consideriamo ad esempio un provino cilindrico di raggio R = 10 mm:

HRC T

4 3 2 1

Log t

Il cuore del provino, cui corrisponde una velocità di raffreddamento più lenta subisce latrasformazione martensitica, per cui tutto il provino ha eguali proprietà meccaniche(durezza HRC).Si consideri ora un provino di 100 mm, le curve di raffreddamento avranno quindi undiverso andamento dalle precedenti:



53

HRC T

1

2

3

4

Log t

Il cuore del pezzo non subirà che la trasformazione perlitica, per cui le proprietàmeccaniche di superficie saranno differenti ci quelle a cuore, ad esempio la durezza saràelevata presso la superficie e progressivamente diminuirà andando verso il cuore.

Con un provino di raggio 1000 mm le curve di raffreddamento si sposterannoulteriormente verso destra e verso l‟alto:

HRC T

1

2

3

4

Log t

Si nota che l‟abbassamento di durezza, tra un provino di raggio 100 mm e uno di 1000mm, sia ha sulla superficie, si può quindi affermare che la superficie di quest‟ultimo casonon avrà preso tempra.Il raffreddamento è effettuato con un mezzo temprante più o meno drastico: più è drastico

più la curva del raffreddamento è spostata a sinistra e più ci sarà sfalsamento tra latrasformazione in superficie e a cuore.Per questo, per ogni acciaio, è necessario individuare il mezzo temprante che garantiscal‟ef fetto desiderato e minimizzi lo sfalsamento; quindi avremo più o meno tensioni a

seconda che il mezzo temprante sia più o meno drastico.



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Esistono quattro mezzi tempranti: Acqua (basso costo, molto drastico, e con un elevato calore di evaporazione ma

possibile creazione di un cuscinetto di vapore che ostacola lo scambio termico) Olio, miscele di idrocarburi (elevato peso molecolare e bassa tensione di vapore)

Aria (curve CCT molto spostate verso destra per leghe autotempranti) Sali fusi, gas inerti sotto pressione

Acciai al Carbonio : tempra in H2OAcciai basso/medio legati : tempra in olioAcciai alto legati : aria o autotempranti



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Diametro critico e drasticità di tempra Si osserva dalla figura quanto detto pr ecedentemente riguardo l‟effetto della drasticità del

mezzo temprante sulla fase di tempra, e a parità di drasticità l‟effetto delle dimensioni del pezzo.

Riportiamo ora in un diagramma questi risultati: in ascissa poniamo il diametro del tondo edin ordinata il rapporto tra il diametro della zona non temprata ed il diametro del provino;

quando questo rapporto vale 1 il materiale non ha preso tempra, quando vale 0 il provino è atutta tempra. Il diametro per cui il provino è a tutta tempra, relativamente ad un certo mezzotemprante, si dice diametro critico.



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Per convenzione, il diametro critico è quello in cui il 50% del centro del provino ècostituito da martensite. Il diametro critico per il raffreddamento di un acciaio 35NiCr5 è32 mm in olio, e 47 mm in acqua.

Da cosa dipende la drasticità del mezzo temprante? Essa è funzione del coefficiente discambio termico tra pezzo e mezzo temprante, dipende dalla capacità termica del mezzotemprante in confronto a quella del pezzo, dalle condizioni di agitazione del mezzotemprante e dalla facilità di ricambio del mezzo temprante nelle varie zone del pezzo. Siindividua un parametro che descrive l‟ef ficacia del mezzo temprante, tenendo conto deifattori sopra menzionati; esso prende il nome di indice di Grossman od indice di drasticità.Per la sua determinazione si utilizzano le curve di Grossman, che riportano in ordinata ilrapporto tra il diametro della zona non temprata ed il diametro del provino ed in ascissa ildiametro critico del provino moltiplicato per l‟indice di drasticità di tempraIndividuo l‟indice di drasticità di tempra in modo semplice: tra le curve di Grossman cerco

quella con forma eguale a quella individuata sperimentalmente e divido il numero inascissa per il diametro critico del provino. Per l‟olio ad esempio HD = 13, per cui H =0.41; per l‟acqua HD = 67 e H = 1.4 (come vedo Hacqua >> Holio ).



57

Quello così individuato è un valore medio della drasticità del mezzo temprante; essa puòinfatti variare in relazione alle modalità con cui è eseguito il raffreddamento

Aria Olio Acqua Soluzione di

sale (ca.

10%) Senza

circolazione

del liquido e senza

agitazione delpezzo

0,02 0,25-0,30 0,9-1,0 2

Leggera

agitazione o

circolazione -- 0,30-0,35 1,0-1,1 2-2,2

Circolazione

moderata -- 0,35-0,40 1,2-1,3 --

Buona

circolazione -- 0,40-0,50 1,4-1,5 --

Energica

circolazione 0,05 0,50-0,80 1,6-2,0 --

Violenta

circolazione -- 0,80-1,10 4 5

Per l‟acqua, ad esempio, posso modificare H aggiungendo dei soluti per ridurne ladrasticità (i poliglicoli sono ad esempio molto usati nel caso della tempra superficiale) odei sali (per evitare fenomeni di evaporazione); la tempra con soluzioni saline è però pocousata in quanto richiede un successivo lavaggio dei pezzi con conseguente scarico di acqueche dovranno essere trattate. Per la tempra in olio devo chiaramente operare con un olio a

bassa tendenza all‟infiammabilità (cioè con bassa tensione di vapore).

Dopo aver visto cosa succede variando il mezzo temprante e mantenendo costante ilmateriale, cerchiamo ora di individuare un parametro funzione solo del materiale,indipendente dal mezzo in cui si opera la tempra ed indicante l‟attitudine del materiale a

prendere tempra, cioé un indice di temprabilità. Si è proposto di assumere come indice di



58

temprabilità il diametro ideale critico, così definito:

lim Dc = Dic

H->

Il diametro ideale critico è il valore di diametro critico di un provino in cui ho la temprasino al cuore utilizzando un mezzo temprante di drasticità infinita. Il D ic ha un valoresempre finito. Cosa è che limita la temprabilità anche in un mezzo di infinita drasticità ditempra? Il raffreddamento a cuore è influenzato da fenomeni di conducibilità termica che,essendo finita, non consente di giungere ad un Dic infinito.

Tali grafici vengono usati per la determinazione del Dic che nei suddetti grafici rappresenta le ascisse,

mentre sulle ordinate riportiamo il Diametro critico Dc partendo dal quale intersechiamo le curve inerenti

al valore di H misurato e individuiamo il Diametro Ideale critico sulle ascisse. Per drasticità infinita,

rappresentante la bisettrice del grafico come sappiamo il Dc = Dic .

Dal punto di vista tecnologico, la prova per determinare il Dic è estremamente onerosa, per cui i

metallurgisti usano altre prove per misurare la temprabilità di un materiale; una di queste è la prova Jominy .



59

Prova Jominy Secondo la normativa europea, il provino cilindrico deve avere un diametro di 25mm ed una lunghezza di 100 mm. La normativa stabilisce le modalità dieffettuazione della prova Jominy di temprabilità ed indica i sistemi dirappresentazione dei risultati. L'apparecchiatura di raffreddamento è costituita

da un supporto avente al centro un foro circolare di 26 mm di diametro, nelquale viene introdotta la provetta. Sull'asse del foro, ad una distanza di 12,5mm dall'estremità della provetta, è situato un ugello con foro di 12,5 mm, dalquale, agendo su un rubinetto ad apertura rapida, esce il getto per ilraffreddamento della provetta. L'altezza libera del getto deve essere pari a circa65 mm. La provetta viene introdotta in un forno riscaldato alla temperatura diaustenitizzazione, alla quale il provino viene mantenuto per un tempocomplessivo di 30 minuti. Durante il riscaldo la provetta non deve esseresoggetta né a decarburazione né a formazione di scaglie di ossido, per cui èopportuno far uso di un contenitore contenente sul fondo limatura di ghisa.

A riscaldo ultimato, il provino deve essere estratto dal forno e posizionatoentro 5 secondi sull'apparecchiatura di prova. Un getto d'acqua colpiscel'estremità inferiore del provino e si attendono almeno 10 minuti per ilcompletamento del raffreddamento. La temperatura dell'acqua deve essere paria 20 ± 5°C. Sulla provetta temprata si esegue una rettifica che asporti unostrato di spessore 0,4-0,5 mm lungo due generatrici diametralmente opposte. Larettifica deve essere effettuata avendo cura di evitare surriscaldamenti locali,specie nelle ultime passate. Su ciascuna generatrice si effettuano rilievi didurezza Rockwell C a determinate distanze dall'estremità temprata, indicatedalla normativa. Previo accordo possono in alternativa essere effettuate provecon altre scale. I valori medi ottenuti nella misura delle durezze sulle due

generatrici vengono riportati su un diagramma che ha per ordinate i valoridella durezza e per ascisse la distanza dall'estremità raffreddata, espressain millimetri. La curva così ottenuta è detta curva di temprabilità Jominy. Lanormativa ASTM e la vecchia normativa UNI 3150 [5] prevedono l'utilizzo di

provini modificati quando le dimensioni dei pezzi non consentono di ricavaresaggi di dimensioni sufficienti per ottenere provette normali. Scopo della

prova: esaminare il comportamento dell'acciaio ai trattamenti termici,verificando in particolare la penetrazione della durezza in profondità(variazione della durezza dalla superficie al cuore).(http://it.youtube.com/watch?v=qW0aUbTWtVM,

http://enciclopedia.studenti.it/diametro.html


http://enciclopedia.studenti.it/centro-o-centro.html


http://doc.studenti.it/appunti/fisica/3/temperatura.html


http://it.youtube.com/watch?v=qW0aUbTWtVM









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L‟immagine qui presentata mostra comele dimensioni influenzino la presa ditempra del pezzo; ora estendendo taleconcetto alla prova Jominy ci aspetteremoche la parte in diretto contatto con il gettod‟acqua temprante si trasformi totalmente

in Martensite. La base del provino presenterà la velocità di raffreddamentomassima mentre la zona di afferraggio del provino presenterà la velocità diraffreddamento minore.E‟ possibile ottenere buone profondità ditempra pur lavorando ad esempio con laminor velocità di raffreddamento?Ciò è possibile per acciai che presentanoelevate concentrazioni di elementi in lega,i quali ricordiamo aumentano latemprabilità spostando verso sinistra lecurve CCT, e influenzando indirettamentela velocità minima alla quale si ha penetrazione di tempra; gli elementi di

lega abbassano anche il Ms e ovviamente alzano le curve Jominy verso valori di HRC maggiori infunzione della distanza.

Zona I : Martensite al 100% quindi tempra totaleZona II : tempra parzialeZona III : Martensite & Perlite, zona di transizioneZona IV: Tempra assente, Perlite.



61

La figura mostra come diversi elementi hanno diversi effetti sulla temprabilità degli acciai, in funzionedella loro percentuale in lega.

Prendendo come esempio un acciaio ipoeutettoidico allo 0,4 % di C e con lo 1,4% di Mn (è unelemento sempre presente poiché deriva dai minerali ferrosi) e variando solamente la percentuale di Monoteremo come la durezza mostrata dalla banda jominy varierà in funzione della percentuale di Mo. Unaltro esempio potrebbe essere fatto con lo stesso acciaio utilizzando il Ni, anch‟esso aumenta latemprabilità ampliando nel diagramma di stato il campo d‟esistenza dell‟austenite spostando diconseguenza verso destra le curve CCT e diminuendo la velocità critica di tempra.E‟ da sottolineare come solo con lo 0,76% di Mo sia sufficiente ad ottenere nel provino una tempraquasi totale, mentre utilizzando del Ni tale valore aumenterebbe approssimativamente verso il 4%



62

Lasciamo allo studente il compito di commentare le curve Jominy qui rappresentate prestando una particolare attenzione agli effetti dei leganti sul risultato ottenuto. Perché le curve non partono più dallostesso punto mentre nella figura precedente si?



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Per capirlo occorre valutare quali sono gli elementi leganti che hanno ilmassimo effetto sulla durezza della martensite. L‟ef fetto indurente nellamartensite è dovuto alla presenza del C; come si evince dal seguente grafico

Fascia di tolleranzaa

HRC

65

58

0.4 0.8 %C

Valore importantissimo: eccezionaleincremento delle caratteristiche meccaniche macon valori di tenacità interessanti.

La durezza aumenta molto quando la % del C passa da 0 a 0.4 % (da 0 a 60HRC), mentre gli aumenti per tenori di C crescenti sono modesti (da 0.4 a 0.8 %HRC passa da 60 a 65). L‟eventuale presenza di elementi di lega fornisce unmodestissimo contributo all‟incr emento della durezza del materiale. Risultainoltre evidente che più una curva è spostata verso l‟alto e più il materiale èlegato ed inoltre che il punto da cui la curva Jominy inizia è funzione del tenoredi C.

Come si modificano le curve Jominy al variare della temprabilità del materiale?Si consideri ad esempio un acciaio C40 la cui composizione è all‟incirca laseguente:

0.37 < C < 0.430.5 < Mn < 0.70.3 < Si < 0.5

come si vede la composizione dell‟acciaio in questione non è descritta in modoesatto, ma attraverso degli intervalli, in modo tale da renderne più facile la

produzione.Quando gli elementi leganti sono presenti nelle quantità maggiori ho la curva 1,



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quando sono al minimo ho la curva 2.

HRC

Curva 1

0.43%C: tutti gli elementi di lega alvalore massimo di tolleranza

BANDA JOMINY

Curva 2

0.37%C: tutti gli elementi di lega alvalore minimo di tolleranza

Distanza

Osservo che la curva 2 parte da una durezza inferiore a quella corrispondentealla curva 1; ciò evidentemente in virtù di un minore tenore di C; inoltre la curva2 decresce più rapidamente sempre in virtù del minore tenore di elementi di lega.Le due curve individuano una banda Jominy, una zona del grafico in cui vanno afinire tutte le curve relative agli acciai dei tipo considerato. E‟ chiaro cheinteresse del produttore è avere bande Jominy il più ampie possibili, in modo danon essere vincolato a rispettare limiti di composizione troppo ristretti, mentrel‟interesse dell‟utilizzatore è esattamente l‟opposto, e cioé di avere un materialecon caratteristiche riproducibili. Per garantire temprabilità elevate e riproducibilivedremo che si usano sistemi particolari di alligazione (microalligazione).Per quanto riguarda la qualità, invece, relativamente all‟impiego, posso usarenomi uguali per acciai con composizioni leggermente differenti, a patto che la

banda Jominy sia ristretta.

Gli acciai più critici sono quelli con basso tenore di C perché piccole variazionicorrispondono a Δ di durezza significative.

Si è visto che il metodo di Grossman si basa su provini sperimentali, le proveJominy si eseguono su provini di dimensioni piccolissime; come posso allorarisalire da questi dati a ciò che accade sui provini di dimensione reale?



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Per fare ciò si usano le curve di Lamont che riportiamo tracciate a centro provino, a mezzo raggio, a 7/10 raggio e a 9/10 raggio

L‟uso di queste curve è molto semplice: si cerca in ordinata il diametro del provino e si traccia l‟orizzontale per essa; si cerca l‟intersezione di questa rettacon la curva corrispondente all‟ H del mezzo considerato; l‟ascissa di questo

punto corrisponde alla distanza dalla parete raffreddata del provino che ha lastessa velocità di raffreddamento del provino Jominy. In questo modo lego lavelocità di raffreddamento sul provino Jominy alla velocità di raffreddamentosul provino reale ed individuo la curva di durezza ad esso relativo. Le curve cosìottenute sono indicative solo della qualità del materiale e sono influenzatesolamente dalla conducibilità termica dell‟acciaio.In questo modo possiamo misurare Dic (partendo dalla semplice conoscenza diuna curva Jominy): considero quel valore di diametro che consente di avere ilcentro del provino ancora a tutta tempra.




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Durante i processi di tempra voglio evitare che si inneschino fratture e ciò non èsempre facile. Nel passaggio da austenite a martensite c‟è un aumento di volumeconseguente al passaggio da una struttura CFC ad una cella tetragonale a corpocentrato (2-3%). La prima zona del pezzo che subisce la trasformazione

martensitica è la superficie, che quindi va in trazione (a causa dellatrasformazione in martensite dell‟austenite posta negli strati sottostanti) mentrela zona centrale è in compressione (eventualmente con una fascia di transizione).Alla martensite associamo il massimo valore della durezza e della resistenza atrazione per cui si è formata una „buccia‟ molto rigida che tende a „gonf iare‟ inconseguenza dell‟aumento di volume. La dilatazione è però senza problemiverso l‟esterno ma è fortemente contrastata dal materiale verso l‟interno. E‟ notoche i materiali metallici mal resistono se sollecitati a compressione.La zona in cui ho la massima trazione è la superficie; se lì ho un effetto diintaglio dovuto a delle lavorazioni meccaniche, possono innescarsi cricche(motivo per cui si evita di temprare pezzi con spigoli vivi).

Aumentando la drasticità del mezzo temprante, la fascia che diviene martensitetende ad estendersi verso il centro del provino; in conseguenza di ciò aumenta latensione superficiale sino anche a raggiungere i limiti di resistenza del materiale.Se si vuole dunque arrivare a temprare il cuore del materiale occorre affrontare il

problema delle tensioni che vengono innescate.Altro problema che deve essere tenuto in considerazione è quellodell‟austenite residua; per aumentare la temprabilità ho aggiunto deglielementi di lega che hanno sì spostato verso destra le curve di Bain, ma hannoanche abbassato Ms e Mf ; ad esempio in un acciaio all‟ 1% di C Ms scende acirca 250°C e Mf tende a temperatura ambiente. Con acciai ad alto tenore di Ce di altri elementi di lega la temperatura del Mf non viene oltrepassata con isoliti mezzi tempranti: finita cioè l‟operazione di tempra ho dell‟austeniteresidua. Se essa è in superficie può tendere a trasformarsi, dopo la tempra(dilatando) ed essendo in una zona rigida determina la formazione di cricche;come effetto minore essa può decomporsi in tempi più lunghi, ad esempio inopera, con conseguente riduzione della stabilità dimensionale dei pezzi(comportamento significativo quando γ residua >1%).

Rinvenimento In virtù di queste considerazioni si comprende come sia norma vitale per lasicurezza dei pezzi provvedere il prima possibile, dopo la tempra, ad eseguire ilrinvenimento.Esso consiste in un riscaldamento a temperatura subcritica (tra i 200°C e i600°C) per tempi relativamente lunghi, provocando delle trasformazionistrutturali nella martensite tali da eliminare le tensioni interne critiche, perassicurare l‟integrità del pezzo. Si è detto che le tensioni sono tanto maggioriquanto più drastico è il mezzo temprante; il rinvenimento non è alternativo alladrasticità della tempra ma preserva da rotture che possono accadere per un

progredire dell‟operazione di trasformazione che si avrebbe nell‟inter vallo tratempra e rinvenimento (l‟austenite residua tenderebbe infatti a trasformarsi

provocando una rottura spontanea nel materiale irrigidito). Attenzione dunqueche se si può scegliere di effettuare il rinvenimento subito dopo la tempra e in unsecondo momento, di certo si avranno effetti più benefici se i due trattamenti

sono ravvicinati poiché le tensioni interne provocano deformazioni cheaumentano nel tempo.




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Gli scopi del rinvenimento sono:

Ridurre la concentrazione delle dislocazioni: accoppiando dislocazionidi segno contrario allevio le tensioni in particolare portando il materialea una temperatura tale da innescare i fenomeni di climb e

riorganizzazione delle dislocazioni. L‟ef fetto sarà più importante proporzionalmente alla temperatura e al tempo di rinvenimento.

Trasformare la martensite: la martensite è una fase metastabile in cui ilC è in posizione interstiziale. Ne esistono due tipi, la martensite ricca

formata da martensite povera e carburi e la martensite povera formatada ferrite e carburi. Il processo di perdita di C non è istantaneo maavviene per la nucleazione dei carburi e la diffusione del C fuori dallamartensite. I carburi che si producono a temperatura bassa sono deicarburi metastabili Fe2,3C (simili a quelli che si formano nella bainitesuperiore) mentre a temperatura bassa Fe3C.

Eliminare l‟austenite residua : questo è possibile solo se faccio

un rinvenimento ad alte temperature (T>Ms). La trasformazionenon è influenzata dal tempo ma solo dalla temperatura altrimentitenderebbe alla trasformazione martensitica.

La trasformazione dell‟austenite residua in martensite e la precipitazione di carburi di

particolari elementi di lega (500°C e oltre) possono anche provocare un aumento delladurezza a causa della precipitazione dei carburi, ciò avviene negli acciai altamente legati.

A 200°C effettuando il rinvenimento si privilegia il mantenimento della durezza, quindiavverranno trasformazioni quali la diminuzione di concentrazione di dislocazioni e la

formazione di carburi metastabili; da 550 a 600°C si ottengono elevate tenacità ma adiscapito della durezza, la struttura tende a divenire simile alla bainite superiore, ottengo pertanto un sistema di equilibrio, nel senso che ho le fasi previste dal diagramma di stato,anche se non con una struttura lamellare, ma con piattelli di ferrite con inseriti bastoncelli dicementite .

DurezzaHRC

Tenacità K1c

200°C 550°C Temperatura




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Il rinvenimento come tutti i trattamenti termici è caratterizzato da fasi di salita, mantenimento intemperatura e discesa.

Durante la fase di mantenimento in temperatura si favoriscono i fenomeni di distensione grazie alclimbing delle dislocazioni e il loro ricombinamento; in questa fase del rinvenimento avviene latrasformazione della martensite in ferrite e carburi, la decomposizione dell‟austenite residua in

martensite invece ovviamente avverrà in fase di discesa del trattamento termico, a patto che vengaattraversato il Mf.

Infatti è molto comune che un singolo rinvenimento non sia sufficiente a decomporre tutta l'austeniteresidua, e la martensite ottenuta dalla sua decomposizione non sarà rinvenuta, rendendo quasiobbligatorio un secondo o un terzo rinvenimento. Inoltre, acciai medio alto legati sarannomaggiormente sensibili al rischio di avere austenite residua (aumenta la quantità e il numero dielementi austenitizzanti) poiché il raffreddamento a temperatura ambiente non sarà sufficiente daindurre la completa trasformazione dell‟austenite (non attraversiamo il Mf, a T < Tamb a causa deglielementi di lega), una possibile soluzione? Un raffreddamento criogenico che forzi l‟attraversamento

del Mf.

Cosa succede tra 200 e 550°?Dato che a noi interessa solo raggiungere valori di elevata durezza o elevata tenacità, non hasenso effettuare un rinvenimento in questo intervallo di temperature poiché si avrebbe perdita di

durezza e non significativo aumento di tenacità.In particolare tra 300 e 450° C la perdita di durezza e tenacità è tale da essere considerato comel‟intervallo di fragilità da rinvenimento.Se il Ni, in acciai di lega al nichel, per tenori di C contenuti, è neutrale relativamente a questointervallo, il Cr e il Mn causano un infragilimento dell‟acciaio poiché in associazione al C dannoorigine alla precipitazione di carburi metastabili che han effetto infragilente; è possibilerimediare a questo problema mediante l‟aggiunta in lega del molibdeno che, al contrario di Ni e Cr,elimina l‟infragilimento perché grazie alla sua grande affinità con il C origina carburi stabili.




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Aus TemperingIl processo di Aus Tempering consiste in una austenitizzazione del pezzo seguita da unraffreddamento in un bagno salino compreso tra i 260°C e i 450°C, il pezzo viene mantenuto a taletemperatura fino al termine della trasformazione dell‟austenite in bainite per poi subire un

raffreddamento finale fino a temperatura ambiente.

Vi sono delle sostanziali differenze rispetto ad un classico trattamento di bonifica:1. Non vi è trasformazione dell‟austenite in martensite, la struttura finale è bainitica e viene

ottenuta durante il mantenimento in temperatura.2. Non è necessario rinvenire il pezzo dopo il trattamento di Aus Tempering.3. L‟Aus Tempering a differenza della bonifica è a ciclo unico, il che si traduce in un risparmio

di tempo (e denaro, il più delle volte)

Vantaggi nell‟usare un processo di Aus Tempering:

Viene ridotta l‟instabilità dimensionale e la probabilità che il pezzo subisca fenomeni di

criccatura. Aumento della tenacità e della duttilità rispetto ad acciai convenzionali post bonifica.




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Un contenimento della distorsione e delle relative tensioni di tempra sono da attribuiresostanzialmente ad un minor stress termico subito dal pezzo; come si evince dal grafico che mette aconfronto l‟austempering con una bonifica convenzionale, la differenza di temperatura tra superficie ecuore nell‟austempering sarà di gran lunga minore rispetto al trattamento di bonifica. Ulteriormente al

beneficio di un minor stress termico, non avviene una trasformazione martensitica che come sappiamo

è accompagnata da un aumento volumetrico (causa di forze di trazione/compressione tra superficie ecuore) invece si ha una trasformazione graduale dell‟austenite in bainite. Tuttavia il processo di AusTempering non può essere applicato a tutti i tipi di acciaio, diverse limitazioni ne impedisconol‟applicazione :

La durata della trasformazione non può essere troppo lunga, dunque gli acciai alto legati sono esclusidai possibili candidati; dato l‟intervallo di temperature utilizzato acciai sensibili alla fragilità darinvenimento non sono indicati; infine l‟uso è limitato anche a sezioni tali per cui, durante il

raffreddamento inziale fino alla temperatura di mantenimento, viene evitata la trasformazionedell‟austenite in perlite.

Marquenching Nella tempra convenzionale durante il raffreddamento la superficie sarà la prima ad effettuare latrasformazione da austenite a martensite una volta raggiunta la temperatura di Ms, dopo un certo lassotemporale anche il cuore raggiungerà tale temperatura iniziando anch‟esso la trasformazione in

martensite; la dilatazione interna causata dalla trasformazione martensitica del cuore sarà ostacolatadalla pelle superficiale del pezzo ormai trasformata in martensite, dunque dura e fragile.Tale è il fenomeno da cui derivano le tensioni interne, le deformazioni e le possibili criccature.Il Marquenching serve proprio per ovviare a tale problema : il raffreddamento inziale viene effettuatocon velocità superiore alla velocità critica inferiore fino ad una temperatura di poco superiore al Ms;segue un successivo mantenimento in temperatura per omogeneizzare la temperatura tra superficie ecuore , infine si esegue un raffreddamento più o meno rapido fino a T amb per ottenere latrasformazione in martensite. Tale processo può essere effettuato su acciai che presentino un campod‟esistenza dell‟austenite abbastanza ampio ed una conducibilità termica tale da permettere una rapidaomogeneizzazione della temperatura tra superficie e cuore.




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MartemperingE‟ una tempra diretta nella quale il raffreddamento è interrotto quando il pezzo ha raggiunto almeno in

uno strato superficiale una temperatura inferiore al Ms, ma superiore al mezzo di raffreddamento.

Verificata tale condizione il pezzo viene estratto dal bagno e raffreddato in aria, limitando il pericolodi avere eccessive tensioni interne, in seguito viene sfruttato il calore immagazzinato nel cuore del pezzo per far avvenire il rinvenimento della martensite superficiale. Tale fenomeno prende anche ilnome di autorinvenimento, e di normaviene applicato su acciai dettiautotempranti che presentano un elevatonumero di elementi tempranti tali per cuila trasformazione martensitica vieneraggiunta anche con un lentoraffreddamento in aria; ovviamente lecurve di bain delle CCT saranno molto

spostate verso destra. L‟effettomaggiormente apprezzabile delMartempering è il non avere mai lasuperficie totalmente martensitica, il chesi traduce in un aumento della tenacità edella duttilità del pezzo.Lo stesso principio viene talvoltasfruttato nel trattamento termicosuperficiale di tempra a induzione.




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I TRATTAMENTI TERMICI SUPERFICIALI

Il primo trattamento termico di indurimento superficiale che tratteremoè la tempra superficiale a induzione. Essa consiste nel riscaldamento tramite correntiPoiché gli acciai passano da ferromagnetici a paramagnetici sopra i 770°C circa (punto di Curie),

occorre tener conto degli effetti derivanti da tale transizione di temperatura.

indotte della zona più esterna del pezzo, con conseguente austenitizzazione rapida e quinditempra, in modo da conseguire la sola trasformazione della zona austenitizzata inmartensite.

Induttori

Doccia

L‟accoppiata induttore-doccia trasla progressivamente lungo il pezzo il quale ruota su sestesso.Questo processo viene anche definito tempra progressiva.Per quanto riguarda questa tecnica è basata sull‟effetto pelle (δ): esso si sviluppa nella zonainteressata dall‟induzione elettromagnetica che per il 90% della corrente indotta passa in:

2

Dove è la permeabilità magnetica dell‟indotto, la sua resistività e = 2 f con ffrequenza della corrente usata nell‟induttore. Controllando quindi f riesco a controllare : per avere ad esempio = 7-8 mm devo lavorare con f 10 kHz.All‟aumentare della frequenza diminuisce la profondità dell‟effetto pelle:

Da 50Hz a 1000HZ Risc. A bassa frequenza* = 10mm circaDa 4KHz a 10KHz Risc. A media frequenza = 3mm circaOltre i 100KHz Risc. Ad alta frequenza = 1mm circa

*Usato anche per riscaldare i pezzi prima della deformazione plastica in modo rapido,omogeneo e senza problemi di ossidazione superficiale.




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2

Questo procedimento permette di scaldare solo la zona più esterna del materiale.Essa ha due effetti positivi metallurgicamente parlando:

Un riscaldamento solo localizzato, permettendo un notevole risparmio energetico Poiché la trasformazione è solo superficiale non si ha deformazione dei pezzi e

di solito non è necessario alcun rinvenimento. E' possible così un controllo

significativo delle deformazioni indotte dal trattamento il mezzo temprante è acqua: economico e non inquinante. si fa in linea di lavorazione.

Perché fare una tempra progressiva?Se mettessi un induttore su tutto il pezzo avrei bisogno di molte spire al posto di una/due,impegnando più kWLa potenza elettrica generata vale:

P I

e2h

Dove h è il cosiddetto traferro, (ovvero la distanza tra induttore e pezzo) o grado diaccoppiamento. Il traferro ha un minimo perché la bobina è in rame con un punto di fusionedi 1080°C ed è necessario dunque prevedere un raffreddamento; al diminuire di h migliora iltrasferimento elettrico dalla bobina al pezzo però basta pochissimo che l‟induttore sideformi per effetto termico e dia origine a un corto circuito, generando punti fusi nel pezzo,sarà dunque necessario minimizzare h mantenendo però una distanza di sicurezza tale daevitare l‟ef fetto sopracitato. Quindi si usano grandi potenze (~100-300KW) per mantenere

piccolo.Gli induttori utilizzano più comunemente le medie frequenze (1000-10000 Hz), perchéquelle alte richiedono convertitori di frequenza meno convenienti. Infatti dobbiamo

convertire dai 50 Hz di rete le frequenze, ma i convertitori di frequenza per f alte dissipanodi più; inoltre, dal punto di vista impiantistico, i costi sono molto più alti poiché vengonoimpiegati più transistori di potenza.Inoltre le medie frequenze permettono di avere effetti pelle di alcuni mm. Infatti quandotempro la zona interessata aumenta di volume (circa del 3%), e la tensione residua dicompressione verso il cuore fa sì che aumenti la resistenza a fatica.Un'altra cosa da notare è che il sistema induttore-doccia entra dal basso del pezzo e procedeverso l'alto mentre l'acqua fluisce verso il basso producendo un raffreddamento secondario.In genere per avere un raffreddamento più efficace il pezzo non è immerso nell‟acqua. Si

preferisce usarla sotto forma di spray, in modo che ogni goccia abbia la possibilità dievaporare completamente, portando via più calore.

http://www.youtube.com/watch?v=DXV-R8PqbpY







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A

Storia termica del materiale

Per osservare la storia termica del pezzo è necessario prendere in considerazione una zonasotto la superficie a vedere come il passaggio induttore-doccia provochi una variazione neltempo della temperatura.Scegliamo due punti A-B sotto la superficie.

T(°C)austenitizzazione

tempra martensitica

auto rinvenimento: con modesti effetti di stress relieving

avvicina mento induttor

e

azione dell’ induttor

e

azione doccia azione dell’ acqua che t scorre

Se voglio vedere la velocità di riscaldamento basta calcolare il rapporto incrementale in un punto della curva

dT/dt = Vriscaldamento

Schema della trasformazione strutturale di un acciaio al riscaldamento in funzione del tempo, si nota la formazionedell'austenite da differenti colonie perlitiche (l'austenite nuclea ai bordi di grano di perlite perché lì si ha una maggioreconcentrazione di C e quindi la distanza che esso deve percorrere è ridottissima)




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diagramma mostrante la formazione di austenite in funzione del tempo

L‟avanzamento dell'austenite segue una legge di tipo sigmoidale: nella fase iniziale praticamente non succede nulla (incubazione + nucleazione); i nuclei di austenite si formanovicino ai carburi o dove maggiore è la concentrazione di C: l'austenite si forma dunque in

condizioni eterogenee, in presenza di ferrite (poco C) e di carburi o colonie perlitiche(ricche di C). Successivamente si assiste alla crescita del grano austenitico (si assumeconvenzionalmente che nel punto di flesso della curva si abbia il primo contatto‟ tra i granidi austenite che stanno crescendo).

Il pezzo, nel passare dalla temperatura ambiente alla temperatura di completaaustenizzazione, attraversa il punto di Curie del Fe: La temperatura A2 (punto di Curie) èquella alla quale avviene la transizione da comportamento ferromagnetico a paramagnetico;avviene a 720°C per il ferro puro ed aumenta all‟aumentare del tenore di C.Osserviamo come varia la permeabilità magnetica (attitudine a lasciarsi magnetizzare)all‟aumentare della temperatura:




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Oltre alla permeabilità magnetica varia anche la resistività elettrica del materiale (inerziaalla conduzione di cariche) in conseguenza del riscaldamento e del successivoraffreddamento con un fenomeno di isteresi.Un‟enor me complicazione alla realizzazione di un modello di riscaldamento è che l‟ef fettoriscaldante non è costante nel tempo ma diminuisce poiché aumentano le dispersioni dicalore.

Questo comporta per la tempra a induzione, che la zona interessata al passaggio di induttore-doccia aumenta di spessore.Il transitorio termico non è lineare perché si riscalda di parecchie centinaia di gradi in pochisecondi quindi fuori dalle condizioni di equilibrio e per capire quali trasformazioniavvengano è necessario utilizzare le curve di trasformazione di riscaldamento rapido (IHT:isothermal heating transformation).Esse sono difficili da ottenere poiché, se per quanto riguarda il raffreddamento si partesempre da austenite, per il riscaldamento ci sono moltissimi acciai di partenza con strutturediverse; inoltre è necessario anche vincere l‟inerzia alla trasformazione, cioè il fatto che icarburi sono legati da legami covalenti-ionici molto difficili da rompere.

Nella tempra a induzione non ho tempo di mantenimento quindi devo effettuare unriscaldamento a T più alte




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Osservo che per un riscaldamento al di sopra di Ac1, la perlite si trasforma in austenite piùrapidamente dei carburi; successivamente disciolgo i carburi ma rimane ancora ungradiente di concentrazione di C per appianare il quale si ha bisogno di un certo tempo. Perquesta ragione la curva relativa all'austenite omogenea è spostata a tempi lunghi etemperature elevate. In modo perfettamente analogo la figura seguente presenta letrasformazioni che ho in conseguenza di riscaldamento continuo.

L‟austenitizzazione è rapida da strutture di bonifica ed è maggiormente lenta da struttur e diricottura; ciò dipende dalle dimensioni dei grani cristallini dalle quali parto per effettuarel‟austenitizzazione.




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Ac1 ed Ac3, con una velocità di riscaldamento prossima allo zero e per tempi lunghi, tendonoad A1 ed A3:

lim Ac = Aequilibrio

Vrisc -> 0

Maggiore è la velocità di riscaldamento e più il materiale tende a trasformarsi atemperature progressivamente più elevate (anche la conclusione della trasformazionedell'austenite viene ritardata).

Con tali considerazioni possiamo valutare la storia termica di un qualsiasi punto posto sullasuperficie della barra sottoposta alla tempra ad induzione.

L‟obiettivo è che tutto δ (effetto pelle) subisca austenitizzazione e che le temperature sianosuperiori ad AC3. Normalmente c‟è anche una zona parzialmente austenitizzata detta zona

termicamente influenzata.

La zona δ risulterà indurita mentre la zona termicamente influenzata sarà di transizione esarà tanto più estesa tanto più lungo sarà il tempo di riscaldamento.L'austenitizzazione è influenzata dalla struttura di partenza, infatti a parità di T una struttura

più fine ci metterà meno tempo a raggiungere le condizioni finali di austenite omogenea.Per quanto riguarda il mezzo temprante, l‟acqua è un mezzo molto drastico e creerà dunquetensioni di tempra piuttosto elevate e il rischio nella zona di transizione di cricche di tempra.Per questo motivo, per limitare i rischi, la tempra a induzione è effettuata su pezzi bonificatied è tanto più rischiosa se interessa zone profonde.Con il processo di tempra ad induzione raggiungo una durezza superficiale di 60-62 HRC(per acciai a medio alto tenore di C) e si limitano fortemente le deformazioni dovute alletensioni residue. Per ridurre la possibilità di formazione di cricche si agisce anche sul mezzodi tempra cercando di ridurne la drasticità (soluzioni di acqua e poliglicoli, i quali

presentano anche una tensione di vapore trascurabile) oppure si opera una rinvenimento dacuore (autorinvenimento): sfruttando il calore immagazzinato a cuore per detensionare ilmateriale (questo effetto è chiaramente tanto più importante quanto minore è la frequenza dilavoro)

Problema del disegno del pezzo.

Nella tempra a induzione il problema del disegno del pezzo è importante perché non sempre

si possono temprare a induzione pezzi di forma semplice, in alcuni casi, ad esempio unalbero a camme, la forma è complessa ed è quindi necessario prevedere alcuni accorgimenti:

h

h




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Durante la tempra a induzione dell' albero a camme l‟accoppiamento tra pezzo e induttorevaria; si nota come l‟h in prossimità della camma, inferiore all‟h dell‟Albero, genera un forteaccoppiamento proprio dove mi serve e quindi indurisco solo quella parte che deve lavoraread usura

CAMMA

parte temprata

Il discorso vale anche per gli ingranaggi, i quali indubbiamente hanno forma complessa e per i quali è necessario un induttore circolare, se voglio temprarli in „un colpo solo‟.

induttore

h intaglio

parte temprata

Anche in questo caso, comunque, dipende tutto da h, il quale però è riferita all‟altezza deldente

La tempra a induzione è indicata per ingranaggi di tutte le forme perché mi permette di

evitare la tempra sulla radice del dente rendendolo poco tenace, ciò mi porterebbe a sgraditieffetti d‟intaglio. Io voglio che solo il dente e le sue pareti siano ben temprati in quanto sonole uniche parti dell‟ingranaggio che lavorano ad usura. E‟ possibile in alternativa effettuareuna tempra dente per dente.






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fat

Temprato ainduzione

bonificato

Ncicli

Si può aumentare la tensione di compressione anche attraverso alla pallinatura (ovveroinvestendo il pezzo con graniglia metallica). La tensione di compressione però èevanescente perché all‟aumento della temperatura in opera scompare ed è per questo che ho

bisogno della lubrificazione.I principali motivi di collasso di un pezzo sono quindi due:

Usura ed attrito

Temperatura

L imi tare i fenomeni di DecarburazioneUn aspetto che sino ad ora si è trascurato, parlando sia dei trattamenti termici massivi sia

di quelli superficiali, è che spesso si tratta il finito o il semifinito; conseguenza di ciò è chenon si vuole determinare nei pezzi nessun tipo di degrado superficiale.

L‟agente che degrada in misura maggiore la superficie è sicuramente l‟ossigeno dell‟aria;tale effetto è limitato in un processo come la tempra ad induzione in quanto estremamenterapido. Quando opero però un diverso trattamento termico devo cercare di proteggere i

pezzi lavorando in opportune atmosfere. I gas che possono entrare in un‟atmosfera sidistinguono in base al comportamento chimico in ossidanti-riducenti e carburanti-decarburanti;




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Si consideri il seguente schema riassuntivo:

GAS TECNICI OSSIDANTE DECARBURANTE CARBURANTE

VUOTO(solo utensili)

-- -- --

N2 -- -- --

O2 Sì Sì NO

CO NO NO Sì

H2O Sì Sì NO

H2 NO -- --

CO2 Sì Sì NO

CH4/GPL NO NO Sì(fortemente)

Oltre che evitare il fenomeno di decarburazione, è possibile con opportune atmosfereaumentare il tenore di carbonio in superficie (cementazione carburante, con atmosferaCO/CH4/GPL). E' utile questo processo per ricarburare e indurire la superficie del pezzo.Dalla tabella si comprende come l‟aria sia una miscela a comportamento ossidante edecarburante, sono carburanti solo CO e CH4 e neutri, o al più riducenti, N2, CO, H2, CH4.Per comprendere quale sia l‟atmosfera migliore per le nostre operazioni andiamo aconsiderare la reazione di combustione - esotermica - del metano in aria (con rapportomolecolare 1 mole CH4/10 moli aria):

Reaz(1) CH4 + 2O2 + 7.6N2 CO2 + 2H2O + 7.6N2

La miscela gassosa ha evidenti caratteristiche ossidanti e decarburanti; se però faccioavvenire la combustione del CH4 in difetto di aria – reazione endotermica - (con rapportomolecolare 1 mole CH4/ 2.5 moli aria)

Reaz(2) CH4 + 1/2O2 + 1.9N2 CO + 2H2 + 1.9N2

ottengo una miscela sostanzialmente neutra (o poco riducente) e certamente carburante pervia della formazione di CO, in virtù dell‟equilibrio di Boudouard

2CO (C)Fe + CO2

Questa miscela si indica anche come atmosfera 40/40/20 essendo costituita da circa40%N2, 40% H2, 20% CO.

Tale atmosfera può indurre la carburazione secondo la reazione:

Fe() + CO Fe()carb. + CO2

La carburazione avviene ovviamente solo quando l‟acciaio è completamente austenitizzato

in quanto vi è una maggiore possibilità da parte del C di entrare in soluzione solida nelreticolo.




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Come varia il potere carburante con la temperatura?Aumentando T , l‟equilibrio di Boudouard si sposta verso sinistra, ovvero la concentrazionedi C in è funzione della temperatura di equilibrio, più è elevata minore è la concentrazione.Quindi il potenziale di C può essere fatto variare secondo le proprio esigenze,

Potenziale di C = [C]eq

Ciò non soddisfa, quindi uso l‟atmosfera 40/40/20 come gas portante e aggiungo CH4 (oGPL) come arricchimento, questo porta ad un significativo aumento del potenziale di C.

Reaz(1) = esotermica CH4 1:10 ariaReaz(2) = endotermica CH4 1:2,5 aria

atermica CH4 1:5 aria

La prima voglio evitarla perché è una reazione parassita, questa fa diminuire la

concentrazione di C, quindi scelgo condizioni operative che favoriscano la seconda conl‟utilizzo di un catalizzatore a base di Ni, però si genera un‟altra reazione parassita ovveroquella di Boudouard con formazione di nero fumo..Per effettuare una carburazione con questo metodo necessito di due storte:in una faccio passare CH4 con aria stechiometrica in un impilaggio di catalizzatore a 900°C,quindi è il catalizzatore stesso che cede calore, se però questo scende di T faccio entrare lamiscela nella seconda storta, previamente portata in T, mentre la prima entra in„rigenerazione‟ tramite la reazione (1) la quale genera calore e riscalda quindi ilcatalizzatore bruciando anche il nero fumo. Quindi sono necessarie due storte perché in unaavviene la reazione (2), mentre l‟altra si rigenera.

L‟alternativa migliore al ciclo appena descritto è quella della decomposizione del metanolo:

CH3OH CO + 2H2

Con l‟aggiunta di 2N2 creo un‟atmosfera sintetica azoto-metanolo. Questa atmosferacostituisce un gas portante ed è più veloce nella carburazione che non l‟atmosfera ottenuta

partendo da metano perché l‟atmosfera 40-40-20 è prodotta fuori forno mentre in questocaso l‟azoto è miscelato con il metanolo e nel forno entra una miscela che deve ancoratrasformarsi e non un‟atmosfera „ precostituita‟. La reazione di decomposizione avviene

direttamente dentro il forno (in situ) quindi non è necessario l‟utilizzo di storte poiché uso lacarica stessa come catalizzatore diminuendo così i tempi di cementazione del 10-20%.Questo processo si usa molto dove l‟energia elettrica ha un costo basso (es. Francia) vistoche l‟azoto si ottiene per distillazione dell‟aria liquida .




84

0.

Cementazione

Questo trattamento termico tende a conseguire risultati comparabili con quelli della tempra carburante adinduzione, ovvero l‟ottenimento di una superficie ad elevata durezza con un cuore ad elevata tenacità.

Obiettivo realizzare il profilo:

%C 0,8%

profondità

Il gas carburante fà da donatore di C.

atmosfera carburante

R trasferimento R diffusione

Perché il C entri in soluzione solida devo vincere la resistenza di trasferimento e la resistenza didiffusione. L‟atmosfera tende a mettersi in equilibrio con la superficie, per questo il profilo diconcentrazione varia notevolmente in funzione del tempo per le leggi della diffusione.

pot C

32

1

tempo




85

Consideriamo un circuito elettrico equivalente:

ФC

ΔV = Pot Catm(max ФC) – %C R trasferimento

ΔV

R diffusione

Se si vuole massimizzare il flusso di C, questo è possibile aumentando il ΔV e diminuendoR. In metallurgia questo vuol dire influenzare la concentrazione di C nell‟atmosferaeffettuando una sovracarburazione, partendo cioè da un potenziale di C maggiore di quelloche voglio alla fine. Per diminuire la resistenza di trasferimento posso aumentare il grado di

pulizia dei pezzi effettuando un‟operazione di sgrassaggio (solo nella tempra a induzionenon è necessario, tutti gli altri meccanismi termo-chimici necessitano di pre-pulitura).Inoltre per diminuire la resistenza di diffusione il materiale deve essere completamenteaustenitizzato e la temperatura il più elevata possibile, tenendo però conto che la reazionedi cementazione (Fe() + CO Fe()carb. + CO2) a temperature elevate sposta il suoequilibrio verso destra, diminuendo così il potenziale di C dell‟atmosfera anche se aumentala diffusività del CIl primo passo per la carburazione consiste nella sovra carburazione o boost (spinta) a920°C con un‟atmosfera con l‟1,2% di C (linea blu)

1mm

Osserviamo che è presente una zona sovra carburata e una sotto carburata l'obiettivo saràdunque cercare di far trasferire la riserva di C nella zona sotto carburata diminuendo il potenziale di C al 0,8% e mantenendo il materiale in temperatura a 880°C in modo che il Ctenda diffondere verso l‟interno (in pratica decarburando la superficie – fase di diffusion ).E‟ una diffusione bilaterale.Questo ciclo assicura un profilo ottimale delle proprietà desiderate. Se uso un atmosferaazoto-metanolo, abbasso la resistenza di trasferimento poiché è più reattiva.Per minimizzare R diffusione posso chiaramente aumentare la temperatura; il flusso di C èregolato dalla legge

C = D [C]/x

dove D è la diffusività, data da D = D0exp(-Q/RT) con Q = energia di attivazione del processo.




86

Il C diffonde bene nell'austenite per cui per avere un buon ingresso di C devo trattare unmateriale in fase austenitica. Operativamente mi mantengo però a temperature superiori,circa 920 - 960 °C (T = 920°C è la temperatura convenzionale di cementazione); non mi

porto a temperature superiori in quanto, pur aumentando la diffusività, sposterei troppo asinistra l‟equilibrio di Boudouard (2CO (C)Fe + CO2) con diminuzione del gradiente diconcentrazione di C e quindi del potenziale di C dell‟atmosfera. Anche in questo casoappare evidente il vantaggio che si avrebbe usando la miscela N2 - CH3OH come atmosfera.

In conclusione, il circuito elettrico modellizza e spiega come è possibile raggiungere il profilo desiderato; ma come fare poi l‟indurimento?I cicli termici sono prolungati e tendono a fare deformare il materiale, in più l‟inserimentodi C da origine a un piccolo „rigonfiamento‟ dei pezzi, poiché però la carburazioneinteressa il materiale solo fino a 1mm la tempra non è molto rischiosa creando delledeformazioni contenute.Vediamo l‟esempio di un ingranaggio: per far sì che alla fine del ciclo termico sia

necessaria solo la rettifica del pezzo le temperature da cui vengono temprati i pezzi devonoessere minori rispetto a quelle di boost per ridurre lo shock termico e sarà utilizzato unmezzo temprante il meno drastico possibile.

Ultimo problema da affrontare è quello relativo al controllo dell‟atmosfera. Se alimento con

miscela aria/metano con un rapporto molare differente da quello indicato in precedenzaaumenta il tenore di vapor d‟acqua per cui effettuo il controllo con il dosaggio del vapord‟acqua: prendo un campione di atmosfera, abbasso la temperatura sino a che giungo allatemperatura di rugiada; minore è la temperatura di rugiada e minore è la percentuale divapor d‟acqua. Questa prova non è molto corretta in quanto eseguita fuori dal forno (quindinon in tempo reale); come alternativa migliore posso usare una sonda ad ossigeno. Il CO2 el'H2O eventualmente presenti (ed indesiderati) sono a queste temperature parzialmentedissociati. Introduco un elettrolita solido costituito da ZrO2(CaO): questo elettrolita

presenta buche di ioni O2- che possono essere saturare dall'O2 dell‟atmosfera rendendo cosìl‟elettrolita solido più isolante. Dalle variazioni di resistività dell‟elettrolita solido, misuronel forno la presenza di specie ossidate e quindi il potenziale di C dell‟atmosfera.

Per controllare la temperatura è possibile regolare il flusso di gas oppure la corrente che passa, mentre per regolare il potenziale di C in continuo (di modo da poter selezionare il

tempo di boost e di diffusion) viene utilizzata una sonda ad ossigeno. questo è possibile




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perché le reazioniCO2 + H2 CO + H2O

Fe() + 2CO Fe()carb. + CO2

sono concatenate e in più l‟equazione di dissociazione dell‟acqua è concatenata con quelladi dissociazione dell‟anidride carbonica; perciò misurando la pressione parziale di O2 ècome se si misurasse la percentuale di C. La sonda utilizza ossido di zirconio con ossido di

calcio in soluzione solida ZrO2(CaO) molto conduttivo ad alte temperature per conduzioneda vacanze di O; quindi se saturo le vacanze con un atmosfera ossidante si abbasserà la

conducibilità dell‟elettrolita solido.In alternativa misuro in modo discontinuo la percentuale di H2O tenendo sotto osservazioneil punto di rugiada. Maggiore è la concentrazione di acqua più alto sarà il punto di rugiada;ad alti punti di rugiada corrisponde quindi un basso potenziale di C.L‟uso della sonda a ossigeno permette di controllare anche l‟atmosfera in forno pilotando lavalvola del metano. Se uso i pezzi come catalizzatori devo avere uno strumento checontrolli l‟atmosfera direttamente nel forno in prossimità della superficie dei pezzi, maessendo la carica variabile solo la sonda a ossigeno può „sentire‟ l‟atmosfera tenendo contodi questo effetto catalitico variabile.

Impianti per la cementazione

Tenendo conto del fatto che H2 tende ad esplodere e CO causa avvelenamento, il forno èin tre sezioni

CARICO 1 2

3

Camera 1: camera di preriscaldamento (a tenuta stagna poiché in collegamento conl‟ambiente esterno)

Camera 2: camera di trattamento vero e proprio (entra atmosfera e i si ha ilriscaldamento dei pezzi, che si effettua tramite resistenze elettriche o con tubiradianti con fumi di combustione del CH4)

Camera 3: camera di tempra.

Consigli per un trattamento corretto: Temprare un anello immergendolo secondo l‟asse di simmetria per mantenere la

sezione circolare dopo tempra. Usare tecniche per minimizzare la deformazione del pezzo come ad esempio la tempra

sotto pressa nella quale il pezzo da temprare è afferrato da uno stampo e fatto investire

dal getto temprante, realizzando una forma di contenimento che mantiene il pezzo nellaforma desiderata impedendo le deformazioni. Perché usare ingranaggi cementati? Un acciaio con lo 0.45% di C viene temprato a




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induzione dopo lavorazioni per asportazione di truciolo prima di esseretemprato. Un acciaio con lo 0.15% di C è più facile da lavorare e quindianche se a cuore ha una resistenza migliore, lo cemento più facilmente. Uningranaggio di potenza sarà temprato a induzione, uno per auto cementato.

Poiché dopo la cementazione voglio mantenere un elevato valore di

durezza, le temperature di rinvenimento sono attorno ai 200°C.

CEMENTAZIONE AD ALTA TEMPERATURAEseguita a circa 950-960°C comporta un aumento della diffusività del C, equindi un maggior trasferimento verso la superficie da cementare. Tuttavial‟equilibrio della reazione

ɤ

+ 2CH3OH ↔ ɤC + CO2 + 4H2

è spostato verso sinistra, quindi ci sarà bisogno di aumentare l‟arr icchimento.

A queste temperature la fase stabile è ɤ, perciò occorre tenere d‟occhio il fenomeno dell‟ingrossamento del grano austenitico, che indurrebbenel materiale un martensite rinvenuta con bassa tenacità.E quindi necessario usare un acciaio che dia, durante la ricristallizzazione,dell‟austenite di piccola dimensione:

più fine è la struttura di partenza, più fine sarà la martensite, migliori lecaratteristiche meccaniche.Solitamente, dopo la ricottura di ricristallizzazione, sarebbe bene sottoporreil materiale a deformazione plastica (ossia, incrudimento), in modo da fargliimmagazzinare energia sufficiente alla ricristallizzazione in grani piccoli, maquesto procedimento è inattuabile: è molto meglio utilizzare elementi di legache riescono a contenere i fenomeni di ingrossamento del grano (come Al).

CEMENTAZIONE SOLIDAAnche detta in cassetta: la carica viene immersa sotto carbone vegetale. Poi

occorre innescare la reazione tra ɤ e C (molto lenta perché i reagenti sono infase solida) con un attivatore: il carbonato di bario BaCO3 .Le reazioni (concatenate) della carburazione sono:

BaCO3 → BaO + CO2 CO2 + C ↔ 2CO

Feɤ + 2CO ↔ Feɤ ricco di C + CO2

Con questa tecnica non è possibile controllare la profondità di cementazione, perciò si utilizzano prove sperimentali per stabilire le quantità di C, di BaCO3,il tempo e la temperatura necessari per ottenere un dato risultato (per altro convariazioni abbastanza sensibili). E‟ comunque un metodo antico, facile darealizzare e tuttora a buon mercato.

CEMENTAZIONE LIQUIDAIn questo caso l‟agente cementante è il cianato alcalino di sodio NaCNO e il

processo si effettua a circa 850°C.




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Le reazioni concatenate in gioco nel processo sono:

4NaCNO → Na2CO3 +

2NaCN + CO + 2N2N→ N2

ɤ

+ 2CO ↔

ɤricco di C +

CO2

Si ha sia la reazione carburante che la produzione di 2N, ma poiché 2N sitrasforma prevalentemente in N2, la reazione prevalente è quella carburante,

non quella nitrurante. Un vantaggio di tale tecnica è che, immergendo il pezzo nel bagno salino, la reazione è molto rapida perché ladecomposizione del cianato viene catalizzata dalla carica metallica, esfruttando la spinta di Archimede, si riesce ad evitare la deformazione del

pezzo. L‟unico neo è la produzione di cianuro (tossico), per il quale èrichiesto il successivo lavaggio del pezzo lavorato e la purificazione deglieffluenti (ad esempio con H2O2).

Occorre tener presente che tutti i trattamenti superficiali provocano lamodifica delle quote, modifica che dev‟essere tenuta in considerazione in fasedi progetto. Purtroppo, poiché le analisi non sono mai effettuate sui pezzi, maci si basa sul certificato di colata, è difficile riuscire a determinare con

precisione l‟entità di tali deformazioni.

RINVENIMENTOL‟operazione che preserva al massimo la durezza del materiale (e quindi laresistenza all‟usura) è il rinvenimento a bassa temperatura (~200°C).Si lasciano intatte le caratteristiche di durezza indotte dalla cementazione esi provoca un efficace stress relieving.A tale temperatura la martensite non si impoverisce di C e ledeformazioni tipiche del rinvenimento sono limitate, a condizione che

dopo la cementazione i pezzi non siano ulteriormente riscaldati.

Ciclo di Doppia Tempra

Post cementazione è sempre indispensabile eseguire un trattamento di tempraseguita dal rinvenimento.

Come si presenterà il pezzo post trattamento di indurimento superficiale?Datosi l‟adsorbimento superficiale di ingenti quantità di C, è come se il pezzofosse costituito da due tipi di acciaio, uno superficiale ad alte % di C ed unocostituente il cuore del pezzo con basse % di C. Le dinamiche del trattamentosuperficiale di cementazione rischiano di ingrossare eccessivamente il grano

austenitico, il che si tradurrebbe a fine ciclo in una martensite poco fine palesemente scadente e poco desiderata. Il ciclo di doppia tempra ci permettein questo caso di ottenere il miglior complesso di caratteristiche pur avendo




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elevati rischi e costi.

Superficie e cuore in virtù dei diversi tenori di C presenteranno temperature diaustenitizzazione diverse, Ac3 la temperatura di austenitizzazione del cuore eAc1 quella dello strato superficiale cementato;

Dalla T del trattamento si effettua una prima tempra a T ambiente Ci si porta a T leggermente superiori ad Ac3 e si esegue nuovamente la

tempra a T ambiente

Ci si porta a T comprese tra Ac3 e Ac1 e si esegue il raffreddamentofinale.

Con tale ciclo termico è possibile rigenerare il grano austenitico superficialeottenendo una martensite prestazionale in superficie con durezze molto elevateed una martensite rinvenuta a cuore.

Le limitazioni di tale processo tuttavia è lo stress imposto al pezzo dalleripetute trasformazioni martensitiche e conseguenti espansioni volumetriche, il

che limita tale applicazione a pezzi non troppo grandi e di geometria nontroppo complessa.

Negli ultimi anni tale processo è caduto in disuso a causa dell‟utilizzo di acciai

con controllo del grano austenitico, presentando dunque strutturemaggiormente “fini” si è optato di eseguire il più delle volte un ciclo di tempra

unica.




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Nitrurazione

L‟obiettivo della nitrurazione è quello di indurire superficialmente un pezzo già allo statofinito, inoltre questo trattamento garantisce un notevole incremento della resistenza ad usura e

una protezione alla corrosione.L‟azoto, come noto, non è reattivo nei confronti dell‟acciaio, per realizzare l‟equilibrio traFe-N in condizioni metastabili si parte dalla reazione tra Fe ed NH3.Infatti l‟unico modo per conseguire la reazione:

Fe + ½N2 Fe(N)

sarebbe quello di aumentare a dismisura la pressione, ma dal punto di vista impiantistico èovviamente impossibile, quindi al posto dell‟azoto molecolare si utilizza l‟ammoniaca, cosìfacendo si instaurano equilibri a pressione ambiente favorevoli alla nitrurazione grazie all‟altaattività di azoto conseguita. Questo processo segue la reazione:

Fe + NH3 Fe(N) + 3/2H2

E la reazione parassita di dissociazione dell‟ NH3 seguente, che avviene nel forno di lavoro NH3

N + 3/2H2

L‟azoto ricavato dalla dissociazione dell‟ammoniaca è fortemente reattivo.

La temperatura a cui bisogna far avvenire la reazione è relativamente bassa per avere uncorretto grado di dissociazione dell' NH3.

Per comprendere quali sono gli effetti dell‟azoto su un acciaio è necessario conoscere ildiagramma di stato Fe-N conseguibile ad elevatissime pressioni di azoto.




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Si nota nel diagramma un‟espansione del campo austenitico in quanto l'N è un fortestabilizzante dell‟austenite (migliore del C), quindi porta in condizioni di stabilitàtermodinamica l'austenite sino a temperature più basse di quanto consenta il C, in

conseguenza di ciò l‟eutettoide si sposta a circa 590°C.L‟azoto al 6,6% forma con il Fe un composto interstiziale ’ (Fe4 N) e a 700°C si trasforma inuna soluzione solida (), dal campo di esistenza molto ampio, con cella esagonale. Questafase presenta un eutettoide a 650°C con trasformazione in e ‟.La fase è in grado di essere portata a temperatura ambiente in condizioni di stabilitàtermodinamica per elevate concentrazioni di N (superiori all‟8%); essa cristallizza nelsistema esagonale, il quale presenza lacune ottaedriche di dimensioni superiori a quella delreticolo CFC, per cui l'N può entrarvi facilmente rendendo stabile termodinamicamente lafase a temperatura ambiente. A concentrazioni di N superiori all‟11% compare una nuovafase denominata fase zeta ().

Il processo di nitrurazione è un percorso di arricchimento isotermico sotto la temperaturaeutettoidica (590°C), all‟incirca sui 550°C. Se infatti supero questa temperatura si ha laformazione di austenite con N; essa non è desiderata poiché presenta un Ms quasi atemperatura ambiente ed Mf molto al di sotto di 0°C, rendendo così praticamenteimpossibile l‟operazione di tempra in modo efficace. Nel pezzo in opera ci sarebbe infattisicuramente molta austenite residua con le relative problematiche. Tale residua lentamentesi trasformerebbe in martensite e farebbe collassare lo strato superficiale nitrurato (che è

praticamente ceramico).

Vi è da osservare che quello che conta non è l‟eutettoide del sistema Fe-N ma quello del

sistema Fe-N-C, raggiunto ad una temperatura inferiore e per una composizione di circa lo0.4% di C (tipica degli acciai da bonifica):

+ + Fe3C

Le trasformazioni che avvengono nel progressivo arricchimento sono: ‟ ‟ +

Il potenziale di N di un‟atmosfera dipende dalla quantità di NH3 indissociata nell‟atmosferastessa; esso deve essere regolato per avere la formazione di ed evitare la formazione dellafase , risultando quest‟ultima uno dei più grossi inconvenienti dal punto di vista dellaresistenza dei pezzi. Obbedisce a queste condizioni un‟atmosfera con il potenziale di N paria circa il 6%. Regolo dunque il potenziale di N utilizzando un predissociatore in modo chenel forno di trattamento entri un‟atmosfera con un corretto potenziale di N: se usassi NH3

pura arriverei ad avere additittura la fase . Per evitare la formazione dell‟austenite devooperare al di sotto dell‟eutettico ternario, quindi a temperature di circa 500°C dovel‟equilibrio di dissociazione dell'NH3 è abbastanza spostato verso sinistra; in questecondizioni la reazione avviene tra ferrite e NH3. Scendendo dalla temperatura dinitrurazione si attraversa però il fenomeno di fragilità da rinvenimento; questo è il motivo

per cui l‟acciaio classico da nitrurazione è il 41 Cr Al Mo 7 (0.41% C, 1.8%Cr, 1%Al,0.4%Mo). Con lo 0.4% di C realizzo la composizione dell‟eutettico ternario + + Fe3C:la struttura risultante è estremamente fine‟ e quindi con resistenza meccanica molto elevata.

L‟aggiunta di Al e Cr porta alla formazione di nitruri stabili, AlN e CrN, che presentanoun‟elevatissima durezza, superiore a quella di Fe4 N, consentendo il conseguimento diun‟alta durezza superficiale (oltre 1000 HV, 65-70 HRC). Il Mo è l‟elemento fondamentale

per ostacolare la fragilità da rinvenimento (si formano carburi stabili che ostacolano la




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formazione di quelli metastabili).La nitrurazione porta alla formazione di strati superficiali di spessore decisamente ridotto,circa di 0.1-0.2 mm (1/10 di quelli ottenuti con la carburazione) ma di durezza più elevata;se la superficie, così indurita, viene supportata da una matrice tenera, una piccola pressionela può sfondare; consegue a ciò che il cuore deve presentare una durezza superiore a quellarichiesta per un‟operazione di cementazione, ad esempio una struttura di bonifica.

Il mio scopo è avere uno strato superficiale durissimo.Come posso agevolare l‟ingresso di azoto?

Mantenendo elevata la concentrazione di NH3 nell‟atmosfera Faccio la nitrurazione su pezzi finiti bonificati, ovvero con la ferrite più fine, quindi

con molti bordi di grano che costituiscono il percorso per l‟ingresso dell‟azoto

Essendo il trattamento di nitrurazione impiegato per pezzi allo stato finito, non è più possibile di norma eseguire successive operazioni meccaniche: è quindi necessario che i pezzi siano stabili dimensionalmente. Ciò si consegue eseguendo la nitrurazione su pezzi pre-bonificati in cui la Trinvenimento sia decisamente superiore a Tnitrurazione.La pre-bonifica è indispensabile. Il trattamento di nitrurazione comporta la permanenza inforno per tempi lunghissimi (50-100h); la temperatura è così bassa che i fenomeni didiffusione sono estremamente lenti e per tempi così lunghi potrei avere direttamente ilrinvenimento in forno con conseguente distorsione dei pezzi se non operassi la pre-bonifica.



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Posso effettuare inoltre dei cicli di boost-diffusion per velocizzare il processo di ingressodell‟azoto nei quali punto ad un potenziale di azoto molto elevato, e dato che la R diffusione

è controllante devo aumentare la differenza di concentrazione di N tra cuore e atmosfera,inoltre il catalizzatore di dissociazione dell'NH3 è la superficie dei pezzi, quindi, più il

pezzo è grande maggiore sarà la dissociazione dell‟ammoniaca e di conseguenza il pezzo

assumerà più N.

Per evitare una sovra-nitrurazione superficiale si esegue il trattamento con ammoniaca pre-dissociata in modo da controllare il potenziale di azoto.Estremo vantaggio della nitrurazione è dovuto al fatto che dopo non ho più bisogno di

processi di tempra di alcun genere.

Qui si seguito è rappresentato schematicamente un esempio di forno a pozzo (a tenutastagna).

N2 + H2 + NH3residua

NH3pred.

Struttura di

un pezzo

nitrurato Fase I

Martensite

rinvenuta

Fase

Si nota come la nitrurazione influenzi solo la superficie, in quanto il cuore rimane di

martensite rinvenuta dovuta al trattamento di bonifica, gli strati superficiali I e interessano spessori piccolissimi, I ≈ 100 † 200 m mentre ≈ 10 m. Praticamente ècome se si formasse uno strato ceramico, tanto che dopo il trattamento i pezzi vengonochiamati vetrificati. Quando faccio entrare N nella zona superficiale, provoco unrigonfiamento nel pezzo che deve essere tenuto in conto, poiché non si eseguiranno dinorma lavorazioni meccaniche successive. Al rigonfiamento è associata una tensioneresidua di compressione superficiale: si riduce così la tendenza alla nucleazione di cricchee maggiore risulterà quindi la resistenza a fatica.

Il problema principale è che è poco prestazionale dal punto di vista meccanico, da lìquindi può facilmente nucleare una cricca di fatica la quale accrescendosi trova una zonaagevole da penetrare, ovvero ‟ molto poco tenace.




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I vantaggi della nitrurazione:

Mi garantisce una resistenza all'usura certamente migliore della cementazionecarburante e della tempra a induzione.

Inoltre, vantaggio non da poco, mi rende i pezzi meno attaccabili da agenti chimici.

Albero a camme: notare l‟aspetto delle parti nitrurate, sembrano ceramiche.

Però il limite della nitrurazione é che gli strati e ‟ si sfondano per carichi superficialielevati (ad esempio negli ingranaggi), per tali situazioni è meglio optare per la tempra a

induzione. Non posso neanche fare una rettifica sui pezzi perché mi porterebbe via parte importantedello strato nitrurato, anche in queste situazioni opto per pezzi temprati a induzione;l‟unico intervento possibile dopo nitrurazione è la lappatura.

Altro parametro da considerare per scegliere il trattamento adatto è la geometria del pezzo,se ad esempio necessito di un pezzo di estrema precisione molto lungo, di sicuro non lonitruro, ma lo tempro in progressivo a induzione (esempio significativo è la vite acircolazione di sfere delle macchine utensili).

Quindi la scelta del trattamento viene fatta in base a:

Condizioni di esercizio

Disegno del pezzo Facilità di lavorazione del materiale da utilizzare

Il trattamento di nitrurazione viene eseguito ad esempio sulle coclee utilizzate nella produzione dei materiali polimerici; questi pezzi sono sottoposti ad una grossa usura poiché al polimero vengono solitamente aggiunte sostanze con forte potere abrasivo (ad es.fibra di vetro). Se voglio esaltare la resistenza all‟usura, senza essere interessato allaresistenza ad elevati carichi specifici, realizzo il pezzo con acciai da nitrurazione. Nel fornodi trattamento la vite non rimane però rettilinea, motivo per cui dovrò sottoporla araddrizzatura, ossia deformare il pezzo superando il carico di deformazione plastica e




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rimanendo al di sotto del carico di rottura. Il pezzo potrà però criccarsi se presenta notevoliquantità di fase in superficie (bassa durezza e bassa resistenza meccanica) poiché il caricodi trazione sarà sicuramente massimo sulla superficie; se il materiale a cuore è fragile lacricca si propaga facilmente. Evito ciò se la zona superficiale viene costituita da fase‟++Fe3C.

Perché allora si trova la fase ? essenzialmente perché mi interessa avere una certa profondità di penetrazione in tempi brevi incrementando il potenziale di N dell‟atmosferanitrurante e non eseguendo la successiva operazione di diffusione (perché troppo lunga); inconseguenza di ciò rimane superficialmente della fase residua.

Se riduco il potenziale di N da un lato l‟N tende a tornare nell‟atmosfera e dall‟altro tendea diffondere: la superficie si porta così nelle condizioni volute. La variazione del potenzialedi N si realizza variando il flusso di NH3 nel forno (utilizzando invece il predissociatorecontrollerei unicamente il grado di dissociazione dell'NH3).

Di seguito viene riportata una tabella che mette in relazione i vantaggi e gli svantaggi delle principali tecniche di trattamento superficiale viste fino ad ora.(maggiore il numero,maggiore il valore intrinseco, maggior performance)

Tempra a Induzione CementazioneCarburante

Nitrurazione

HRC 3° 2° 1°

Lavorabilità 1° 2° 3°

Rettifica 2° 1° 2°

Deformazioni indotte 1° 3° 2°

Sopportazione caricospecifico

1° 2° 3°

Res. Usura 3° 2° 1°

Rischio durantetrattamento

1° 3° 2°




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Fenomeni di

usura Tendenzialmente l‟usura è imputabile a fenomeni di microsaldature, dovute al fatto che lasuperficie dei materiali è microrugosa. Con due materiali in contrasto si genera unsurriscaldamento locale che provoca la saldatura della zona in contrasto e dato che lesuperfici sono in strisciamento relativo portano a un dissaldamento di quella zona.

F

F

Una particella di materiale viene quindi asportata dalle due superfici, questa quindi hasubito un ciclo termico (una tempra) di conseguenza mi ritrovo tra le due superfici una

particella molto dura che usura in modo meccanico i due pezzi a contatto.

Fratture

Prodotto di usura

Per evitare questo sgradevole effetto si può intervenire rendendo il pezzo più durosuperficialmente (il meglio in questo caso è avere un pezzo nitrurato in quanto ha una




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superficie „ceramica‟ la quale provoca un automatica riduzione dell‟attrito, usura a secco),oppure adottando lubrificanti per diminuire l‟attrito (usura a umido).

In alternativa, ma ovviamente se il valore aggiunto è elevato, si può riportare materialeceramico sui pezzi tramite riporti al plasma.

Tali processi evitano fenomeni di grippaggio, ovvero la saldatura „definitiva‟ dei pezzi.

Pistone grippato: notare la saldatura sulla sede dello spinotto.

Nitro-Carburazione Ferritica Nel caso in cui le forze opposte applicate sul pezzo siano relativamente elevate è necessario

utilizzare pezzi nitrurati, ma se tali forze sono di minore intensità e le velocità discorrimento sono elevate conviene ricorrere alla nitrocarburazione ferritica in bagnosalino, che crea peraltro uno strato superficiale a basso coefficiente di attrito(importante, ma caduta in disuso perché si producono cianuri).

Questo processo consiste in un arricchimento del pezzo con azoto e carbonio atemperature subcritiche, partendo da cianati i quali a temperature elevate (>500°C) sidecompongono dando origine alle seguenti reazioni:

500°C4NaCNO Na2CO3 + 2NaCN + CO + 2N

L‟azoto ovviamente è in forma atomica perciò molto reattivo.Le reazioni di arricchimento sono:

2CO + Fe Fe(C) + CO2

N + Fe Fe(N)




99

La reazione con l‟azoto, come nella nitrurazione, origina le fasi I e .

Vantaggio notevole è dovuto alla possibilità di rigenerare NaCNO facendo gorgogliare arianel bagno salino:

2NaCN + O2 2NaCNO

La reazione del cianato è di interesse a due temperature, una di 850°C e l‟altra di 570°C:

a 850°C l‟azione del C è prevalente, mentre N coadiuvante, perché il ferro èaustenite e l‟equilibrio si sposta verso destra, è praticamente come unacementazione carburante.

a 570°C l‟azione dell‟ N è prevalente, in questo caso è più simile a una nitrurazionee se la percentuale di N è elevata si arriverebbe sino a formare una fase ulteriore

6,6% N 11% N

Fe + N I

Potenziale di N crescente

Il risultato migliore da conseguire è 8%N e 2%C, e il modo è quello di eseguire untrattamento a 570°C perchè a temperature troppo alte avrei poco arricchimento di N inoltre2N N2 creerebbe porosità.La zona superficiale indurita è dell‟ordine di 20m, in quanto l‟obbiettivo è quello di avereuna zona con con carbonio della durezza di 500 Vickers.




100

Cinetica del

trattamento Convenzionalmente il trattamento si opera su un acciaio strutturale, con strutturamartensitica rinvenuta a temperatura elevata (600°C); il primo step è di nitrocarburazione a570°C dopo permanenza nel bagno di circa 30 minuti con ottenimento di fase I con Fe3C:

+ Fe3C + N I + Fe3C

dopodiché se si mantiene il pezzo nel bagno per un ulteriore ora si ottiene, come effettoglobale, la creazione della fase con I:

I + Fe3C

Con piùelementi

di lega

Infine l‟ultimo step consiste in un permanenza ulteriore nel bagno della durata di 30 minuti,in questo lasso di tempo, dato che abbiamo consumato nelle trasformazioni precedenti

parecchio C dei carburi Fe3C, avviene una carburazione di dovuta al CO

povero + 2CO ricco + CO2 (in superficie)




101

oltre all‟arricchimento in atmosfera abbiamo anche quello dovuto al bulk, in questatrasformazione non vi è più diffusione, ma avviene una vera e propria reazione

Fe3Csubsuperficiale + povero ricco

Quindi il profilo di concentrazione del C che si otterrà non sarà regolare perché ho undoppio contributo (bidirezionale) da parte dell‟atmosfera e del bulk (strati più profondi).

%

Effettodell’atmosfera

Effettodel bulk

C

N

10m profondità

Riassumendo tutto il processo osserviamo che in superficie è presente ricco di elementi insoluzione solida e un sotto strato con con azoto sempre in soluzione solida, tutto ciò dopodue ore di trattamento a 570°C.

Infine il lavaggio finale in acqua calda (60÷70°C) discioglie il cianuro indesiderato e dal punto di vista metallurgico genera una sorta di effetto tempra e mi rimane congelata lastruttura di alta temperatura, ovvero la permanenza di sovrasatura nella quale N induceuna tensione residua di compressione; i pezzi nitrocarburati quindi hanno una resistenza afatica superiore a pezzi trattati diversamente, oltre all‟aumento specifico di resistenzaall‟usura.

Come controllo la composizione del bagno salino?Il potenziale di N viene regolato attraverso la diluizione del bagno con carbonati o cianuri;si è scelto in passato l‟utilizzo dei cianuri i quali attualmente sono stati sostituiti daicarbonati, decisamente più ecologici.

Inoltre voglio partire da un bagno ad elevata concentrazione di cianato perché con il passaredel tempo questo degrada parzialmente e quindi si rende necessaria un‟operazione dirigenerazione tramite aggiunta di sali ureici.




102

Partendo, però, da bagni salini con elevata concentrazione ho che nella zona superficiale dei pezzi si creano delle porosità per formazione di azoto molecolare (N2), che lasciano dei

vuoti (lo stesso risultato, però indesiderato, lo otterrei anche con atmosfere ricche di NH3).

Zona

Zona inferiore

Pori di azotodeg.

Questi pori sono però interessanti perché si potrebbero usare come riserva di lubrificantequando vi sono difficoltà di lubrificazione. Un ulteriore vantaggio è che questi pori possonoessere trasformati in magnetite (tramite l‟azione di bagni salini a base di nitrati e nitriti)aumentando la resistenza alla corrosione.

Perché non va bene con solo N?Le migliori prestazioni le ottengo da con N e C realizzando durezze decisamente superioriad uno strato con solo N, mentre uno strato con maggiore contenuto di C.

Corrosione La corrosione è un processo elettrochimico che provoca la distruzione delle proprietàsuperficiali del materiale; trasforma la superficie in prodotti di corrosione e può essereuniforme o localizzata.

La corrosione elettrochimica è schematizzabile come una pila (in corto circuito), che provoca una trasformazione e del materiale.

Anodo, reazione

di OX

Catodo, reazione di RED




103

Nella figura è rappresentata schematicamente una pila in corto circuito nella qualeavvengono reazioni di ossidazione e riduzione:

anodica: Fe Fe

++

+ 2e

-

catodica: H2O + ½O2 + 2e- 2OH-

La formazione di prodotti di corrosione avviene nel seguente modo:

Fe + H2O + ½O2 Fe++ + 2OH-

Fe++ + 2OH- Fe(OH)2 (ruggine….)

Dove si posizionano anodo e catodo?

O2

Fe++ Soluzione aggressiva OH-

Anodo Catodoe-

Metallo

Questa situazione è transitoria, ovvero quando da una parte si consuma l‟ O2 il catododiventa anodo e viceversa; tutto ciò porta alla corrosione di tipo uniforme. Il catodo è lazona protetta mentre l‟anodo è quella corrosa.

Esiste però un fattore di localizzazione nei metalli costituite dalle zone a più elevato livelloenergetico come i bordi grano.

Catodo Catodo

Anodo, al bordo di grano

Così si effettual’attacco

metallografico




104

Gli atomi ai bordi di grano tendenzialmente sono i primi a essere interessati dalla corrosionein quanto più „ propensi‟ a entrare in soluzione

Diversamente nel caso di pezzi nitrurati non succederà niente di tutto ciò perché il Fe saràlimitato fortemente dal legame ionico; esiste un però… perché se nello strato è presenteuna discontinuità, la situazione diventa drammatica, in quanto tutta la superficie costituisceun gigantesco catodo e la zona scoperta si corrode rapidamente ( fattore di localizzazione).

matrice

Differentemente, ma restando sempre nel caso della corrosione di pezzi nitrurati, se nellostrato è presente della porosità, questa agevola il contatto del mezzo aggressivo con lamatrice non trattata che può corrodersi più facilmente. Come detto, per inibire questofenomeno c‟è la possibilità di stuccare i vuoti, con il processo:

3Fe + 4NaNO3 Fe3O4 + 4NaNO2

dove la reazione si effettua a circa 350°C.

Per materiali sensibili alla corrosione la protezione, invece, consiste in un rivestimento(coating) che può essere di due tipi:

protezione passiva (strato polimerico per esempio una vernice la quale proteggesino a che rimane integra) protezione attiva: ricoprimento con metalli sacrificali (ad esempio la zincatura

dell‟acciaio)

La condizione ottimale è quella della passivazione, ovvero una barriera costituita da ossididel metallo stesso, insormontabile dalla soluzione aggressiva; è una protezione spontanea

passiva con il vantaggio che si può anche rigenerare.È un tipico comportamento dei metalli nobili (Or, Ag, Pt), ma anche il ferro con il cromo inlega (%Cr>12%) oppure il titanio e l‟alluminio che si ricoprono spontaneamente di ossidi

passivanti.

Quando si parla di corrosione si pensa spesso a quella di tipo atmosferico, ma in effetti tuttala tecnologia è influenzata dagli ambienti aggressivi, per esempio una lega adatta ad unambiente aggressivo non è adatta ad un altro specie se di tipo organico.La velocità di corrosione (varia nel tempo) può essere calcolata come perdita di pesonel l‟unità di tempo.

Trattamenti

al plasma Il principio base consiste nel caricare i pezzi elettricamente (polarizzarli), catodicamente, eapplicare una differenza di potenziale tra i pezzi e le pareti della camera del forno in modoche questa crei un effetto plasmogeno, il trattamento che ne consegue è l‟impiantazioneionica.Gli ioni positivi (derivanti da NH3 dissociata) vengono attratti dal pezzo caricato negativamente

dagli elettroni sottratti all‟idrogeno, entrano di forza nel pezzo e dopodiché gli elettronitornano nell‟atmosfera del forno.




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Schema di funzionamento:

e-

Parete delpezzo

H2 2H

NH3

Parete del forno

e-

V

All‟interno del forno è presente un gas a bassissima pressione (50Pa), la differenza di potenziale è notevole (500V) e le reazioni al catodo e all‟anodo sono:

anodo: H H+ + e-

catodo: 2H+ + O-- H2O

gli O2- derivano dagli ossidi sulla superficie del pezzo, quindi la reazione catodica èspassivante e serve a eliminare gli ossidi che altrimenti agirebbero da schermoall‟impiantazione.Ora il pezzo è in grado di accettare l‟azoto con uno schema tipo:

4NH+ + 4Fe + e- Fe4 N + H

gli ioni vengono accelerati dal campo elettrico e si impiantano nel pezzo, quindi regolandola differenza di potenziale posso regolare la loro velocità e quindi la profondità deltrattamento.Tutta l‟energia cinetica degli ioni si trasforma un calore e di conseguenza abbiamo ilriscaldamento della zona superficiale del pezzo (simile alla tempra per induzione).Se la superficie del pezzo è piatta la dispersione di e- sarà uniforme e quindi anche la

profondità di impiantazione di N, il problema si presenta se ho punte perché li avrò piùnitrurazione e surriscaldamento; per evitare questa indesiderata sovra-nitrurazione schermotali zone con una lastra di Al; similmente se ricopro alcune parti con rame o vernicerefrattaria posso evitare di nitrurare parti del pezzo che non è necessario indurire.Grazie a questo trattamento, ma soprattutto per via della spassivazione generata dallareazione catodica, si possono indurire (nitrurare) anche leghe inox (passivate), impossibilida nitrurare altrimenti perché ci sarebbe uno strato insuperabile di ossidi che non

permetterebbe la penetrazione dell‟azoto.Altro vantaggio è che si possono nitrurare pezzi a temperature più basse.Posso anche sostituire NH3 con CH4 e così ho l‟impiantazione di C (carburazione ionica), inquesto caso però devo passare da pareti del forno fredde a pareti calde perché non sarebbe

sufficiente il solo riscaldamento dovuto all‟impiantazione ionica per raggiungere T corrette cicementazione carburante.




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IMMAGINI SULLA NITRURAZONE IONICA E GASSOSA

Pezzi nitrurati




107

Pezzi durante l‟impiantazione ionica

Batteria di forni a pozzo per nitrurazione gassosa




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Forni a campana per nitrurazione ionica

Metallografie di strati nitrurati su acciaio 41CrAlMo7 ottenuti dopo processi di:a) nitrurazione gassosa (30 ore di trattamento in due stadi a 530°C);

b) nitrurazione ionica (12 ore di trattamento a 530°C).




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Osservazione al microscopio elettronico a scansione della superficie di un pezzo sottoposto anitrurazione (x 10.000): a) gassosa, b)ionica.

Strato nitrurato ottenuto su un acciaio inossidabile martensitico AISI 420 (x500).




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113




114

GLI ACCIAI

Normative e

designazione

degli acciai

Lo scopo della normativa è stabilire le condizioni tecniche per lo scambio di prodotti e di servizi assicurando il continuo adeguamento allo sviluppo tecnologico

Acciai di base:

Sono così denominati gli acciai le cui caratteristiche chimiche non sono stabilite,ma solo i requisiti meccanici minimi e massimi. In genere acciai poveri, sono usatinel caso in cui non interessi il metodo di produzione ma solo il risultato finale (es.acciaio per tondini da cemento armato).

Tondini per calcestruzzo armato Il C25 è l‟acciaio ideale per il calcestruzzo armato grazie alla sua grande tenacità.Tuttavia c‟è differenza tra applicazione meccanica e uso edile, infatti cambiano le

percentuali di S e P (che sono generatori di inclusioni): nelle applicazionimeccaniche non possono essere superiori allo 0,035%, mentre nell‟uso edile può

essere superiore perché in questo campo interessano solo le caratteristiche tensili eduttili dei tondini.La sigla C25 implica che %S e %P siano inferiori allo 0,035%.La sigla Fe360 indica un acciaio C25 per costruzioni edili (360GPa è il limite disnervamento).




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Acciai legati:

Per questo secondo tipo di acciai esiste una normativa precisa con un‟unificazione

dei simboli significativi; essi si dividono in tre classi: Acciai al carbonio: il tenore in lega è trascurabile.

C (%Cx100)es.C40→ 0.4%di C

N.B. è riconosciuto un grado di tolleranza pari al ±0.03%

Acciai medio-legati: l‟elemento principale in lega non supera il 5%(%Cx100) (% legante principale x moltiplicatore K)

K Elementi di lega4 Co, Cr, Mn, Ni, Si, W

10 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr100 C, N, P, S

1000 B

Degli altri elementi in lega viene solo indicato il simbolo

es. 36NiCrMo16→0.36%C, 4% Ni*, Cr e Mo in percentuali inferiori.

*%Ni = 16 * K , con K Ni= ¼ , → %Ni = 4

Acciai alto-legati: l‟elemento principale in lega supera il 5%X (%Cx100) % elementi in lega

es. X5CrNi 20-10 → 0.05%C 2‟% Cr 10% Ni

La scelta dell‟acciaio dipende dall‟ap plicazione per cui è destinato il pezzo o daitrattamenti termici che dovrà successivamente subire il materiale, per cui sidistinguono alcune categorie di acciai : Ad esempio:

Per la meccanica

Per tempra ad induzione

Da nitrurazione

Da cementazione

Per molle

Da costruzione

Da cuscinetti




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designazione C Mn Cr Ni Mo temprabili inC25 0.25 0.60 acqua

C40 0.40 acqua

C45 0.45 acqua

C60 0.60 0.75 acqua

41Cr4 0.41 0.70 1 olio

34CrMo4 0.34 0.75 1 0.2 olio

42CrMo4 0.42 0.75 1 0.2 olio

36CrNiMo4 0.36 0.65 1 1 0.2 olio

36NiCrMo16 0.36 0.45 1.80 3.8 0.3 olio

Il diagramma riporta il valore della durezza della martensite in funzionedel tenore di carbonio in lega, che è il principale rafforzante dellamartensite. Si noti come un C40 al massimo della %C garantita dal

produttore sia uguale, come durezza, ad un C45 al minimo del tenore diC.

Per questo gli acciai vengono accompagnati da un certificato di colata ; per avere una corretta classificazione del prodotto è possibile fare provedirettamente sul pezzo tramite il QUANTOMETRO (analisispettrografica).

Le caratteristiche meccaniche esplicate nelle prossime tabelle siriferiscono ai provini unificati; se ad esempio il diametro del provinotestato è minore del Diametro critico da un punto di vista meccanico vuoldire testare un provino al 100% Martensite.Discostamenti dai valori tabulati sono da attribuire ad allontanamenti dalDiametro critico.

Acciai da

bonifica




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In tutti gli acciai c’è 0.4% di Si e un tenore di S e P inferiore allo 0.035%.

Per i primi quattro acciai il disegno non deve esser critico. Man mano che si scende nella tabella la resistenza a trazione aumenta. Cr, Mo e Ni sono elementi che permettono un notevole aumento della

temprabilità. Il tenore di C degli acciai legati è compreso tra 0.36 e 0.45% per sfruttare iltratto della martensite a più alto valore di resistenza.

Osserviamo come varia il tenore di C a seconda degli elementi in lega: Cr eMo sono stabilizzanti dei carburi e quindi perché essi si formino, la % di Cdeve essere sufficiente; invece il Ni ha un effetto sulla temprabilità inquanto è fortemente austenitizzante e quindi permette di diminuire il C inlega. Inoltre a pari temprabilità il Ni ha un effetto fortemente tenacizzante.

In genere gli acciai più comuni come il C40, il C 45, il 42CrMo4 e il 36CrNiMo4sono disponibili a magazzino, mentre gli altri necessitano di una colata ad hoc.

Influenza degli

elementi in

lega

Mn: è un‟impurezza del minerale f erroso, all‟aumentare della % di Caumenta anche la % di Mn: Ha l‟ef fetto di aumentare la temprabilità poichéè uno stabilizzante dei carburi e austenitizzante; se voglio però un‟elevata

tenacità ne limiterò il tenore, preferendo invece l‟aggiunta di Ni .

Mo: elimina i rischi di fragilità da rinvenimento (l‟unico acciaio a rischio èil 41Cr4 per il quale è importante più che mai prevedere i tempi diraffreddamento), è presente in tutti gli acciai legati, ma ce n‟è un po‟ di più

nell‟ultimo perché è necessario contrastare l‟azione austenitizzante del Nicon quella di stabilizzante dei carburi del Mo.

Si: garantisce il calmaggio dell‟acciaio (disossidazione).

S e P: sono un marker importante del contenuto inclusionale e quindi dellaqualità dell‟acciaio poiché in tutti gli acciai le inclusioni provocano ildegrado della tenacità (da limitare in particolare negli acciai strutturali).

41Cr4 E‟ l‟unico acciaio senza Mo, l‟unico stabilizzante dei carburi è il Cr. Ciò ha uneffetto positivo sulla temprabilità, perché il Cr ampia nelle curve CCT l‟ampiezzadel campo ɤ (avendo una grande affinità con C).La %Mn è simile a quella degli acciai al C, perciò la temprabilità è migliorata solograzie al contributo del Cr. Lo svantaggio è che questa lega soffre di fragilità darinvenimento, causata dalla formazione di carburi metastabili di Cr.Esso viene scelto quando la bonifica contempla un rinvenimento a temperature

basse o si tempra dopo il rinvenimento in modo da limitare la permanenzanell‟intervallo che dà fragilità.




118

Designazione R (MPa)

res. trazione

R0.2(MPa)

snervamento

A% KV(J)tenacità

C25 625 360 19 45

C40 750 460 15 30

C45 800 490 14 25

C60 905 580 11 -

41Cr4 1150 800 11 30

34CrMo4 1100 800 11 35

42CrMo4 1200 900 10 30

36CrNiMo4 1200 900 10 35

36NiCrMo16 1350 1050 9 30

42CrMo4 E‟ simile al precedente ma contiene Mo, che è un forte stabilizzante dei carburi.Perciò questa lega non soffre di fragilità da rinvenimento.

Tra 34CrMo4 e 42CrMo4 cambia solo la %C; scelgo il 34CrMo4 quando ho

bisogno di un acciaio da bonifica ad alta tenacità, mentre opto per il 42CrMo4quanto serve alta resistenza a trazione.

36CrNiMo4 Assomiglia al 34CrMo4 tranne che per l‟1%Ni. Il nichel è un alligante strategicoin metallurgia ed è inoltre costoso.Viene aggiunto nel bagno liquido come nichel metallico ed è l‟unico

austenitizzante che porta solo miglioramenti:- aumenta significativamente la temprabilità- non è stabilizzante dei carburi

Si dice perciò, che Ni è un tenacizzante, non perché migliori la tenacità, ma perchénon la danneggia.

Si confrontino 36CrNiMo4 e 36CrNiMo16:- Ni passa da 1% a 3,8% per aumentare la temprabilità- Per lo stesso motivo, Cr passa da 1% a 1,8% (l‟aumento è minore perché la

lega soffrirebbe di fragilità da rinvenimento)- Mo passa da 0,2% a 0,3% per contrastare gli effetti negativi del Cr

(aumento contenuto perché comunque la %C resta costante)- Mn passa da 0,65% a 0,45% perché la temprabilità è garantita dagli altri

elementi, quindi viene ridotto per non diminuire la tenacità.

Proprietà

meccaniche




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All‟aumentare del tenore di C aumentano R e R 0.2 e diminuiscel‟allungamento percentuale, (aumentano le caratt. tensili)

Le seguenti misure sono effettuate su un materiale bonificato a 600° e conun provino con il diametro di 16 mm secondo l‟EURONORM 10083.

In acciai legati abbiamo resistenze maggiori grazie alla presenza di

carburi, che però fanno diminuire l‟allungamento percentuale perchéostacolano il moto delle dislocazioni. La tenacità resta molto elevata: in

particolare con l‟ultimo acciaio abbiamo R elevata e uguali valori ditenacità.

Gli elementi in lega migliorano la temprabilità, stabilizzano i carburi (Cr eMo), il Mo elimina la fragilità da rinvenimento pagando in tenacità eallungamento percentuale(rafforzamento da seconda fase sotto forma dicarburi).

Il 41Cr4 ha solo l‟ 1%Cr in più rispetto al C40: mantenendo la stessa tenacità sonomigliorate le caratteristiche tensili.Il 42CrMo4 ha lo 0,2%Mo che non ha il 41Cr4: miglioro le caratteristiche tensili,elimino la fragilità da rinvenimento ma perdo un po‟ di allungamento a rottura.Il 41Cr4 e il 34CrMo4 hanno lo stesso limite di snervamento, ma il secondo hauna maggiore tenacità.36CrNiMo4 è il principale acciaio da bonifica, mentre il 36CrNiMo16 rappresentail top di gamma con il suo altissimo limite di snervamento (grazie al rafforzamentoda seconda fase e da soluzione solida).

Acciai da tempra a induzione:

Essi fan parte degli acciai da bonifica.In progettazione si ha l‟esigenza di migliorare le caratteristiche tensili del materiale(bonifica) ma anche la resistenza ad usura (tempra a induzione). I due trattamentitermici possono essere accoppiati.Osserviamo il ciclo di lavorazione di un ingranaggio:

prodotto metallurgico nel formato

necessario

Ricottura di

sferoidizzazione

in aria per

aumentare lalavorabilità

pezzo ricotto

sgrossatura

pezzo

sgrossato

bonifica in atmosfera controllata

pezzo finito

rettifica

pezzo temprato

tempra a

induzione pezzo

bonificato




120

Il ciclo è ottimizzato con trattamenti termici in base alle lavorazioni meccaniche che devoeseguire, e dato che la bonifica è SEMPRE prevista e necessaria prima della tempra ainduzione superficiale gli elementi di lega diventano preponderanti.

HRC

C36 51

C53 57

45Cr2 55

41CrMo4 55

40CrNiMo3 54

In genere gli acciai da tempra a induzione hanno una percentuale di C più elevata, rispetto ai precedenti e 55 HRC è il minimo per avere un‟accetta bile resistenza all‟usura. L‟elemento

col maggior effetto austenitizzante è il C, non il Ni, ma come ben sappiamo il maggiorcontributo per la durezza finale del pezzo è dato dal C stesso e non dal Ni, di conseguenzasiamo forzati a dover scegliere e dato che il C è ineliminabile dalla composizione si

preferisce evitare il Ni come legante, il quale formerebbe certamente quantità di ɤR

intollerabili.

Per questo, nella tempra ad induzione, sono consigliati acciai senza Ni e sono

spesso usati acciai al C con alti tenori di C.

Viti a circolazione di sfere

In genere queste lunghe viti (vari metri) dopo bonifica sono „storte‟ e poiché un costoimportante consiste nel raddrizzarle, per minimizzare le deformazioni si preferisce temprarein olio. Dopo aver eliminato le piccole deformazione sul semifinito, per assicurare unadurezza sufficiente si esegue una tempra a induzione.

Per avere il massimo di resistenza all‟usura si usa un acciaio con tenore di C inferiore allo0.49% (altrimenti la deformazione è troppo importante a causa dell‟aumento di volumedella martensite) e un acciaio opportuno è il 48CrMoV5.

Prendiamo ad esempio una barra cilindrica di lunghezza consistente: essa viene prodottaattraverso un processo di laminazione a caldo; il V forma carburi molto stabili edaltofondenti, tali carburi di vanadio precipitano a T superiori ai 1000°C e limitano




121

l‟ingrossamento del grano austenitico; tuttavia indirettamente il Vanadio diminuisce la

quantità di C presente, in quanto una parte del C presente in lega viene sottratto per laformazione dei carburi, dunque le quantità di C in lega saranno leggermente superiori allamedia.Per quanto riguarda il Ni, esso è sconsigliabile nella tempra a induzione perché favorisce laformazione di austenite residua alla quale sono particolarmente sensibili i pezzi della

meccanica di precisione.Un inconveniente del 48CrMoV5 è che ha molto C per assicurarne la durata, ma rischia didare quantità non trascurabili di austenite residua: per questo a valle della tempra a induzioneviene eseguito un rinvenimento a bassa temperatura, seguito da un trattamento criogenico ilquale permetterà il completamento della trasformazione martensitica, datosi il fatto che il Mfsi trova a T inferiori allo 0 a causa dell‟elevato numero di alliganti . Per controllarel‟eliminazione dell‟austenite residua si misura il passo della vite e se evidenzio una costanzafinale dopo cicli ripetuti allora l‟operazione è andata a buon fine. In tal senso è riportato ilseguente esempio numerico a titolo puramente indicativo:

1) Tempra ad induzione (nella zona temprata c‟è ancora il 2% di ɤR)

Passo di 10,000mm

2) Raffreddamento criogenico per evitare la stabilizzazione di ɤR

(il 90% del 2% di ɤR si trasforma in martensite) Passodi 10,020mm

3) Rinvenimento a 150-200°C (nella zona temprata ho ancora lo 0,2& di ɤR ) Passodi 10,019mm

4) Raffreddamento criogenico (il 90% dello 0,2% di ɤR si trasforma ilmartensite)Passo di 10,023mm

5) Rinvenimento a 150°C (nella zona temprata ho solo lo 0,02% di ɤR ) Passodi 10,023mm

Per tornare alla quota iniziale posso fare la rettifica, togliendo i 23µm in eccesso.

Il molibdeno presente in lega non è necessario in nessun modo per eliminare la fragilitàdi rinvenimento! Basti notare che il rinvenimento effettuato è a basse temperature, ilMo serve essenzialmente come rafforzante tramite precipitazione di carburi stabili eper aumentare la temprabilità del pezzo.




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Elementi stabilizzanti dei Carburi : Mo W V Cr Mn Ti Nb

Elementi Austenitizzanti : C N Ni Co Mn Cu

Acciai da ni tru razione :

Kcu R0.2 (HV) A%

31CrMo12 24.5 880 10

31CrMoV10 34.5 835 12

34CrAlMo7 24.5 590 14

41CrAlMo7 22.5 735 12

Osserviamo il ciclo di produzione

Ricottura Sgrossatura Bonifica Finitura Nitrurazione

La bonifica garantisce le caratteristiche ottimali dell‟accop piata resistenza atrazione e tenacità.Il Mo è in lega per evitare la fragilità da rinvenimento, poiché il trattamento dinitrurazione comporta lunghi tempi in forno.Il Cr in fase di bonifica migliora la temprabilità e in fase di nitrurazione dà nitrurimolto stabili.Il 31CrMo12 (Mo=0.35%) e il 31CrMoV10 (V=0.15) hanno una durezza di 900-1000HV ma il secondo ha meno Cr poiché con la presenza del V ho un granoaustenitico più fine e nitruri più duri.Perché l‟Al favorisce la formazione di nitruri? Basti osservare la tabella diseguito riportata :

AngstromFe 1,26 CCC

Al 1,43 CFC Ni 1,24 CFC

La cella elementare dell‟Al presenta una costante di cella più grande rispetto alFe e al Ni, ciò comporta un effetto distorcente della matrice ed un conseguenteinfragilimento; tuttavia l‟Al può accogliere l‟azoto dell‟atmosfera nitrurante più

efficacemente aumentandone dunque il potenziale per un‟ottimale adsorbimento

superficiale. Utilizzare l‟Al costa meno rispetto ad un‟accoppiata di Cr & V,

anche se i nitruri dell‟Al portano ad una notevole diminuzione di tenacità.Per le coclee per l‟iniezione di polimeri si potrebbe usare il 31CrMoV10 al postodel 41CrAlMo7 (le cariche sono abrasive) ma devo poter raddrizzare talora la

coclea dopo trattamento, quindi il primo acciaio più tenace è più facile daraddrizzare.




123

Acciai per molle

Le molle sono particolari meccanici che si deformano e devono tornare nella conformazioneoriginale quando la sollecitazione viene tolta. Si lavora dunque in campo elastico.

Il requisito principale è dunque che a parità di carico di rottura il campo elastico sia il più esteso possibile, mireremo dunque a R & Rs > 1000, A% medio bassi e valori di tenacità medio alti. Perottenere il carico di rottura e il carico di snervamento così elevati ci aspetteremo di usare quantitàdi C superiori allo 0,4% , ma come ben sappiamo ciò si traduce anche in un effetto infragilente,d‟altra parte effettuare un rinvenimento ad alte T (400-450°C) porterebbe si ad un aumento dellatenacità ma con un‟inevitabile perdita di caratteristiche tensili. Il segreto degli acciai per molle risiede nel Si; esso normalmente, è presente in tutti gli acciai in

basse percentuali per operazioni di “degasaggio” (disossidante) mentre negli acciai per molle

arriva a tenori del 2% circa, perché?Il Si appartenente allo stesso gruppo del C, è un elemento fortemente ferritizzante con unanotevole affinità per il Fe acquistando i suoi elettroni; infatti tende ad entrare in soluzione solida

ed espelle il C dalle posizioni interstiziali del reticolo formando prevalentemente legami di tipoionico con il Fe. Il Si grazie a questo suo effetto usurpatore del C stabilizza i carburi metastabili presenti, evitandone la decomposizione ad alte temperature, alle quali bramiamo di effettuare unrinvenimento; l‟effetto finale sarà l‟ottenimento di alte caratteristiche tensili grazie all‟effetto

rinforzante dei carburi insieme a tenacità accettabili grazie al rinvenimento ad alte temperature.Tale fenomeno qui descritto è noto come Blocco dei fenomeni di rinvenimento.

s %

48Si7 1425 1100

55Si7 1475 1160

50CrV4 1455 1140

52SiCrNi5 1525 1220

Osserviamo che tutti gli acciai hanno un tenore di C elevato e quindi carichi di trazione elevati.

Il 50CrV4 non ha Si ma V che rafforza con carburi VC molto stabili e blocca lafragilità da rinvenimento.

Il 52SiCrNi5 invece è usato per molle di dimensioni maggiori e in particolare il Sistabilizza i carburi e il Cr e il Ni aumentano la temprabilità.

Come sempre, molle di piccole dimensioni possono essere temprate in acqua,mentre molle di grandi dimensioni in olio.




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Acciai da cementazione

Il tenore di C è inferiore allo 0.2% di modo che prima della cementazione il pezzo sia estremamente duttile e facilmente saldabile e poi più facilmente predisposto ad una corretta cementazione..

R s %C10 540 45 12C15 740 4018CrMo4 1130 8516CrNi4 1080 3518NiCrMo2 980 8518NiCrMo5 1230 8016NiCr11 1230 8018NiCrMo12 1230 80

Con un tenore di C così basso si avrà una fase ferritica prevalente sotto forma dilaminati con una struttura a bande (struttura fibrosa) e poiché i pezzi grezzivengono ottenuti per laminazione questi acciai sono più sensibili a questa struttura,la cui profonda anisotropia ne mina la stabilità dimensionale.Poiché gli acciai da cementazione sono particolarmente sensibili all‟anisotropia delgrano, è opportuno sottoporli ad una ricottura di ricristallizzazione (ipercritica) e, sei pezzi sono destinati a deformazione plastica a freddo, anche a ricottura isotermicadi sferoidizzazione. Perché una struttura fibrosa è da evitare? Un‟utile analogia può

essere fatta con i tendini presenti nel corpo umano, una struttura fibrosa presenta unelevato numero di tensioni monodirezionali, e se tale acciaio dovesse subirelavorazioni meccaniche di taglio ad esempio si avrebbe una distensione repentina di

tali tensioni nel pezzo, dunque un rilascio di energia potenziale immagazzinata chesicuramente è da evitare; ecco spiegata la necessità di effettuare ricotture diricristallizzazione o dove necessario di sferoidizzazione.

Un altro inconveniente di una struttura fibrosa a bande di perlite e ferrite si presentadurante la cementazione; la perlite cementifica prima della ferrite, e ciò porterà aduna cementazione non omogenea la quale ovviamente non è desiderabile.Dunque una ricottura è a questo punto obbligatoria per eliminare le tensioni internee per omogeneizzare la struttura cristallina del pezzo per ottenere una durezzasuperficiale omogenea.

Perlite

α α

α




125

Osserviamo inoltre che tra il primo acciaio e l‟ultimo, il tenore di Ni aumenta. Essoè come già detto in precedenza, tenacizzante, aumenta la temprabilità (come ancheil Cr e il Mo) ed è un elemento austenitizzante diminuendo in particolare latemperatura di cementazione, senza però ostacolare la diffusione del C in quantonon è uno stabilizzante dei carburi.Anche Cr e Mo sono utili perché stabilizzano i carburi, realizzando unrafforzamento secondario, e rallentano i fenomeni di ingrossamento del granoaustenitico, ma devono essere usati in quantità tali da non rallentare le diffusionedel C, poiché presentano un‟elevata affinità per quest‟ultimo tenderebbero a

formare carburi diminuendo il C utile per l‟indurimento superficiale.Il Ni è aggiunto in quantità notevoli, però bisogna sapere che superato un certotenore in lega la quantità di austenite residua sarà tale da consigliare unraffreddamento finale in N2 liquido (criogenia).Infine, se non voglio cementare in profondità, è più semplice cementare su acciai alsemplice C.

Quando si acquista un acciaio si valuta la composizione, la struttura e il contenutoinclusionale. Negli acciai da cementazione il fattore determinante è la struttura.

18CrMo4 L‟accoppiata Cr Mo stabilizza i carburi aumentando quindi la temprabilità.E‟ particolarmente indicato per pezzi da cementare a bassa profondità.Ha caratteristiche tensili maggiori di 16CrNi4 proprio perché ha più elementistabilizzanti dei carburi; inoltre il Mo ha effetto affinante del grano austenitico.

-16NiCr11- Hanno un contenuto di Ni vicino al 3%, e risultano quindi particolarmente costosi.Poiché è aumentato Ni, anche le proprietà tensili sono aumentate.Sulla tabella non è possibile apprezzare tali aumenti perché il provino standard(Ø16mm) è sempre a tutta tempra, ma si possono notare quando si cementano pezzi




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Spessore della gabbia100Cr6 ≤25mm temprabilità minima 100CrMo7 ≥25mm maggiore temprabilità 17NiCrMo5 ≥25mm maggiore temprabilità X105CrMo17 ≥25mm maggiore temprabilità

di grandi dimensioni.

18NiCrMo12 Aumenta il tenore di alliganti, migliora la temprabilità e quindi aumenta il diametroideale critico.L‟apporto di Cr/Mo stabilizza i carburi e affina il grano austenitico

Grazie al Ni, austenitizzante, migliora anche la cementabilità, al prezzo di unamaggiore ɤR in superficie, la quale riduce la durezza, aumenta la deformazione eil pericolo di microcricche in opera(che peggiorano la resistenza a fatica) → consigliatissimo per tale motivo il trattamento criogenico.Per evitare la cementazione in alcune zone, che non lavorano a usura, ci si spalmasopra una vernice refrattaria che impedisce infatti la cementazione (in alternativa si

potrebbe usare la ramatura protettiva).

La scelta ottimale dell‟acciaio per un trattamento di cementazione deve essere fatta

tenendo particolarmente conto delle dimensioni

Tutti gli acciai fin qui descritti appartengono alla categoria degli acciai da costruzione.

Acciai per

cuscinetti

Sono acciai per una specifica applicazione, in questo caso per la produzione di

particolari meccanici quali cuscinetti.Essi devono presentare elevata durezza e resistenza ad usura, ci aspettiamo dilavorare dunque con % di C molto elevate ed elementi che rafforzino la strutturacristallina tramite precipitazione di carburi.

Il 100Cr6 e il 100CrMo7 sono acciai ipereutettoidici con grande resistenza all‟usuraanche dovuta al carburo di Cr, mentre il Mo permette di aumentare la temprabilità.Essi sono acciai estremamente delicati da trattare termicamente e devono esseretemprati in olio per limitare gli shock termici. Essi sono in particolare moltosensibili al fenomeno dell‟austenite residua e per questo richiedono unraffreddamento criogenico a -30\-40°C e vanno rinvenuti a temperature molto

basse (150-200°C). Inoltre hanno una lavorabilità minima che può essere resaaccettabile solo attraverso una preventiva ricottura di sferoidizzazione.17NiCrMo5 è un acciaio da cementazione, quindi usato per cuscinetti pocosollecitati.X105CrMo17 è un inox martensitico, usato per lavori in ambienti corrosivi.La temprabilità aumenta dall‟alto verso in basso nella tabella.

I cuscinetti ad alta %C non tollerano elementi stabilizzanti di ɤR (come Ni) perchésono già di natura abbastanza sensibili al problema. E‟ quindi consigliato, dopo latempra in olio, un immediato trattamento criogenico per evitare la stabilizzazione




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termica di ɤR

Essi inoltre, essendo ipereutettoidici, presentano una struttura del tipo „ perlite +

carburi a bordo grano ɤ‟ .

Questi ultimi sono di tipo poligonale e risultano particolarmente ostici da lavorarecon utensili, essendo pezzi di precisione che richiedono quindi la rettifica finale. Laricottura di sferoidizzazione è consigliata perché trasforma i carburi da poligonali asferici e aumenta la stabilità dimensionale.

Viene riportato di seguito un breve schema riassuntivo per i principali metodi di rafforzamentoche possono essere osservati nelle principali classi di acciai che andremo ad approfondire:

Rafforzamento da soluzione solida interstiziale o sostituzionale Rafforzamento per interazione tra atomi interstiziali e dislocazioni Rafforzamento per dimensioni dei grani cristallini

Rafforzamento per precipitazione di particelle non metalliche (carburi) Rafforzamento da una struttura multi fase




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Saldatura L‟acciaio inossidabile è un acciaio saldabile, ma da questo punto divista ha un comportamento critico. Un materiale saldabile è unmateriale in cui il ciclo termico conseguente all‟esecuzione del cordonedi saldatura non induce significative trasformazioni con effetti diindurimento. Negli acciai ferritici ad esempio, a causa della presenza

della ZTA, il processo di saldatura determina un ingrossamento delgrano della ferrite ed un conseguente infragilimento in prossimità delcordone di saldatura.La tecnica di saldatura più comune viene chiamata „saldatura di testa‟.Consiste nell‟avvicinamento di due pezzi con successivo riempimento delcianfrino mediante il cordone di saldatura.

cianfrino

DRITTO

ROVESCIO

Prima della saldatura è necessario effettuare due processiimportantissimi:

1. Azione di pulizia2. Condizionamento superficiale (disossidazione della superficie da

saldare)

Il cianfrino viene riempito in una o più passate di saldatura, con più passate è meglio perché evito l‟eccessiva penetrazione del cordone disaldatura nel rovescio. Se apporto una grossa quantità di materiale ilrovescio ne avrà di più, mentre il diritto di meno.

La geometria corretta del cordone di saldatura è, invece, la seguente:

Il cordone deve riempire il diritto e penetrare non esageratamente il rovescio, ciò

comporta la necessità di fare più passate.




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Molte però sono le interazione da considerare e da controllare, ma due in particolare:1. Lega fusa/atmosfera (genera ossidazione)2. Lega fusa/componenti da saldare (ZTA: zona termicamente alterata)

Iniziamo analizzando il secondo: la generazione della ZTA è dovuta al cordone, ilquale arriva a temperature di 1600°C, creando così la giunzione mediante la fusionedella zona più esterna del cianfrino, si avrà una continuità delle due parti (si fa fatica,in alcuni casi, a riconoscere le due matrici), il cordone avrà struttura ferritico-perlitica.Un aumento di temperatura così elevato, non può passare inosservato alle zonelimitrofe, e dato che gli acciai migliori da saldatura devono arrivare velocemente incampo austenitico, c‟è il rischio, per via del raffreddamento repentino in aria, cheavvenga la trasformazione martensite con aumento indesiderato di volume, oppure,in un ipotesi peggiore, avere della martensite non rinvenuta, la quale genera fragilitàdel materiale in uso (situazione intollerabile).

Criteri pratici di saldabilità: maggiore è la temprabilità, minore sarà la saldabilità.Quindi tendenzialmente saranno impossibili da saldare acciai con elevato tenore diCeq. , in quanto autotempranti (inox martensitici, acciai per cuscinetti, per molle, dautensili, etc…) Problema risolubile è se nel cordone di saldatura si creano delle tensioni interne,eliminabili con lo stress relieving (rinvenimento della zona saldata).

L‟altro problema da gestire era quello dell‟ossidazione della lega fusa, è un fattoretanto più importante, tanto più gli elementi di lega sono affini all‟ossigeno. Duemetodiche di protezione:

1.

Scoria fusa che inibisce il contatto tra aria e metallo (metodo più facile,ma meno efficiente).2. Insufflaggio nel cordone di saldatura di un gas inerte (più complicato, ma

più efficiente).

La saldatura può essere manuale (al cannello), se realizzata da un operatore e quindisenza la qualità costante del cordone di saldatura, o automatica (mediante arcoelettrico), , che risulta migliore in fatto di qualità.

Ricapitolando, i parametri principali da considerare durante un processo di saldaturasono i seguenti :

Composizione leghe d‟apporto

Voltaggio

Distanza tra i due pezzi da saldare

Composizione del gas di saldatura

Velocità di avanzamento e velocità di alimentazione, le quali influenzano lageometria del cordone di saldatura




130

Schemi di tipologie di saldatura:

- Saldatura manuale TIG

Il processo è in corrente continua, così come i successivi che verranno presi inconsiderazione. Nel TIG si usa la polarità diretta: il pezzo da saldare è collegato al

polo positivo ed il controelettrodo di tungsteno al polo negativo; i termoelettroni chefuoriescono dall‟elettrodo di W vanno a colpire la zona che deve costituire il bagno disaldatura e provocano la fusione del metallo di apporto. Il riscaldamento avvieneapplicando una differenza di potenziale sufficientemente elevata affinché si abbia lostabilirsi dell‟arco elettrico tra il pezzo e il controelettrodo. Affinché il cordone disaldatura sia di geometria regolare è opportuno che l‟arco elettrico sia stabile e non

pulsato. La scelta del gas in cui scocca l‟arco è determinante per la stabilizzazionedell‟arco stesso; essa è migliorata dalla presenza di un gas che non reagisca con il

bagno. Si scelgono in genere gas inerti che oltre a stabilizzare l‟arco proteggano ancheil bagno; uno di questi è l‟Ar. Se si usasse solo Ar la tendenza alla ionizzazione equindi alla formazione dell‟arco elettrico sarebbe però troppo modesta; inconseguenza di ciò si tende ad usare dei gas di saldatura drogati con H2, CO2 o gassimilari che si ionizzino più facilmente. Nel processo TIG si inserisce il metallod‟apporto, sotto forma di bacchetta, nella zona d‟arco in modo che fonda sotto l‟azionedell‟arco stesso; in genere l‟operazione è condotta manualmente dal saldatore e ilmetallo costituente la bacchetta del metallo d‟apporto deve sempre essere di nobiltà

maggiore rispetto il pezzo da saldare.. Attorno alla torcia viene creata una camera checonsente l‟ingresso del gas di protezione; esso andrà ad interessare una zona

abbastanza ampia attorno al bagno fuso per evitare i fenomeni di ingresso dell‟aria.Utilizziamo poi una eguale protezione gassosa a rovescio poiché il bagno metallicodeve essere tale da interessare tutto lo spessore della lamiera.

- Il processo TIG descritto può essere modificato per lavorare in automatico: ilmateriale d‟apporto è in questo caso avvolto su di una bobina che porta il filo disaldatura sull‟arco. In questo caso la qualità del cordone di saldatura è legata alsincronismo che realizzo tra la velocità di movimento della torcia e la velocità diafflusso del materiale della bobina




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- Saldatura manuale con elettrodo rivestito

La protezione del bagno di fusione può essere realizzata anche mediante l‟impiego diuna scoria fusa, come accade nel processo SMAW.L‟elettrodo da fondere viene rivestito con gli ossidi che andranno a produrre la scoria.La fonte dell‟apporto calorico è costituita da un cannello ossiacetilenico. L‟elettrodoviene così fuso e la scoria, per la differente densità, tende a galleggiare al di sopra del

bagno metallico. Il processo SMAW è molto applicato: è manuale, non richiede l‟uso di gas di protezione, è estremamente flessibile in quanto si può facilmente cambiare laqualità della saldatura modificando il metallo di apporto e il rivestimento..La lunghezza del cordone di saldatura è determinata dalla lunghezza dell‟elettrodo: interrompere la saldatura può portare a tensioni nel materiale quando riprendo lasaldatura stessa. Da ciò comprendo come sia più opportuno avere un processo inautomatico; esempio in questo senso è il processo SAW.




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- Saldatura ad arco elettrico senza elettrodo refrattario (SAW)

In questa situazione l‟elettrodo refrattario non serve, perché lo stesso filo di metallod‟apporto funziona da generatore dell‟arco elettrico, i termo elettroni giungono dal

pezzo da saldare grazie alla polarità inversa.Il filo d‟apporto entra in una nube di gas inerte con scoria, tale flusso si trasforma inscoria liquida che mi protegge il bagno dall‟ossidazione. L‟arco elettrico è a potenzerelativamente basse. Questo processo è alternativo al TIG in automatico nei casi incui sia meno delicato il problema della qualità della saldatura e si voglia sfruttarel‟effetto affinante provocato dalla scoria. La scoria solidificata sul cordone di

saldatura deve poi essere eliminata e quindi, esteticamente, la qualità della saldaturasarà modesta.




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- Saldatura ad arco elettrico senza elettrodo refrattario (MIG)

Il processo MIG ( Metal Inert Gas), a differenza del TIG, utilizza la polarità inversa:l‟elettrodo consumabile è qui costituito direttamente dal metallo di apporto. Esso,sotto l‟effetto del bombardamento elettronico, fonde; per evitarne l‟ossidazione, si

protegge l‟elettrodo con un opportuno gas inerte e sufficientemente ionizzabile.

- Saldatura per punti

La particolarità consiste che non vi è metallo d‟apporto e gas di protezione.L‟operazione inizia con il posizionamento delle due lamiere una sull‟altra; successivamente, attraverso due punzoni, si realizza una pressione localizzata che

provoca un contatto preferenziale nella zona interposta tra i due punzoni. Con ilcircuito elettrico di figura faccio passare corrente alternata e, per effetto Joule, riscaldola zona da saldare. Dopo la fusionatura locale si è creato il bagno di saldatura; esso

non va però ad interessare tutto lo spessore della lamiera. Interrompendo il passaggiodella corrente il bagno metallico tende a penetrare nella zona solida; questa




134

penetrazione è favorita da un aumento della forza di serraggio esercitata con i

punzoni. Si realizza così una condizione ottimale di ancoraggio. La saldatura per puntiè il processo più semplice e meno costoso di saldatura; essa è adatta soprattuttoquando gli spessori delle lamiere da saldare sono sufficientemente ridotti. I punzonisono Cu, ottimo conduttore termico ed elettrico, altri motivi che giustificano l‟utilizzodel rame sono: la sua possibilità di deformarsi in campo plastico, facilità di rettifica(se legato con W) e l‟inerzia chimica.

- Saldatura al plasma

Con la saldatura al plasma invece di avere l‟arco elettrico si crea, con una opportunadifferenza di potenziale, un plasma tra elettrodo e pezzo. Per la stabilizzazione del

plasma devono essere raggiunte temperature molto elevare, di qualche migliaia di °K.Si hanno due sorgenti di gas concentriche: la prima è costituita da un gas plasmogeno,la seconda da un gas di protezione (il quale assolve anche all‟importante compito di

stabilizzare il plasma). L‟intercapedine tra le due è raffreddata con acqua per evitare lafusione della torcia. Il processo al plasma è simile al TIG: l‟applicazione dell‟uno odell‟altro sistema deve essere individuata considerando la potenza specifica che devotrasferire nella zona di saldatura. La torcia al plasma trasferisce potenze elettrichedecisamente più elevate (tanto che, per l‟apporto calorico molto elevato e concentrato,

può essere usata anche per tagliare lamiere o particolari metallici); perché ricorro allasaldatura al plasma e non al TIG? Il problema da affrontare in un‟operazione disaldatura è la ZTA. Se si ha un‟elevata potenza specifica la maggior parte del calore ètrasferita alla zona interessata dal bagno in fusione. Il saldare al plasma consente diridurre fortemente l‟estensione della ZTA (questo processo è infatti indicato quando sidebbano saldare acciai ad elevato tenore di C o quando i pezzi da saldare siano dispessore considerevole).La torcia al plasma possiede una potenza elevatissima, non solo si può saldare conquesta, ma anche tranciare e eseguire riporti di materiale ceramico.




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Rotazione

elevatadell’albero

- saldatura per attrito

cam

F F

albero

Tramite forze di compressione e rotazione elevate si ottiene la saldatura dei pezzimediante attrito, grazie al surriscaldamento elevato per frizione delle partiinteressate dalle forze.Manufatti estremamente diffusi sono certamente i tubi; essi possono essere prodottiin due modi differenti: o si parte dal pieno e tramite l‟azione progressiva di un

penetratore si realizza la cavità centrale del tubo (tubi Mannesman), o attraverso lasaldatura di lamiere. In quest‟ultimo caso la fusionatura locale del cordone si puòottenere anche per induzione: si affiancano le superfici da saldare, con un induttoreriscaldo la zona dei lembi e poi lascio raffreddare. In questo modo, in conseguenzaalla ricristallizzazione del materiale, si ottiene una giunzione in cui non si discerne

più da quale lembo un cristallo abbia avuto origine. L‟apporto calorico deve esserecomunque sufficiente per la fusionatura e la ricristallizzazione del materiale senzache si provochi alcun surriscaldamento nella ZTA. Si utilizzano in genere acciai a

basso tenore di C per avere una maggiore saldabilità; incremento il tenore di C dovemi interessano particolari caratteristiche di resistenza meccanica (ad es. tubi per

ponteggi).http://www.youtube.com/watch?v=WSnj8AASuFs

http://www.youtube.com/watch?v=H6QGLGJ-BOE

http://www.youtube.com/watch?v=BwC0zXpoZjw

http://www.youtube.com/watch?v=jo376zPns8I

http://www.youtube.com/watch?v=WSnj8AASuFs















136

ACCIAI INOSSIDABILI http://www.youtube.com/watch?v=JmW-qE5IBBM&list=FLf_eXqElaH7WBeVWhTUQuDA

http://www.arvedi.it/arinox/it/4100/Glossario.htm Caratteristiche:

Gli acciai inossidabili, o inox (nome peraltro inappropriato, perché devono la loro alta resistenzaalla corrosione proprio a delle reazioni di ossidazione), devono la loro caratteristica principale allanotevole insensibilità alla corrosione dovuta ad una concentrazione elevata di cromo in lega(almeno il 17-18%) che crea uno strato protettivo passivante e inattaccabile da soluzioniaggressive; in prima approssimazione maggiore sarà la sua concentrazione maggiore sarà la suaresistenza. Sarebbe più corretto parlare di acciai non corrodibili quindi, in quanto la lega è soloapparentemente inerte all‟ambiente degradante, grazie alla formazione dello strato passivante

impermeabile che protegge il metallo sottostante; questo strato potrebbe essere descritto come unospinello del tipo FeO•Cr 2O3

All‟interno di una lega inox possiamo trovare come già detto, un‟elevata concentrazione di Cr espesso del Ni (austenitizzante).Il nemico principale dell‟azione del Cr è il C considerato impuritàdannosa, il quale crea carburi stabili con il cromo sottraendolo quindi alla matrice, per cui inquesti acciai avremo di norma un bassissimo contenuto di carbonio; infatti la condizione che

permette al Cr di reagire con O2, passivando la lega, è che Cr sia „libero‟, mentre se è legato conC in carburi molto stabili non sarà più disponibile per lo strato passivante superficiale.

DIAGRAMMA DI STATO Fe-Cr

Il Cr è un elemento con caratteristiche marcatamente alfogene (ossia è un ferritizzante) e perquesto il campo tende ad essere chiuso‟ dalla presenza del Cr in soluzione solida. Il Cr tendecomunque a distorcere il reticolo cristallino della lega formando una soluzione solidasostituzionale e ciò è responsabile dell‟aumento del campo di stabilità dell‟austenite a basse

temperature. La fase non è stabile termodinamicamente al di sotto di 850 °C, incorrispondenza dell‟8% di Cr: per temperature inferiori si trasforma in ferrite . In

http://www.youtube.com/watch?v=JmW-qE5IBBM&list=FLf_eXqElaH7WBeVWhTUQuDA


http://www.arvedi.it/arinox/it/4100/Glossario.htm







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corrispondenza del 45% circa di Cr la fase , al raffreddamento, a 820°C si trasforma

nella fase in modo congruente. Mentre alla fase compete una struttura disordinata, la fase sicaratterizza per una struttura ordinata: ha una struttura reticolare CCC con Cr al centro e Fe aivertici (è un intermetallico), è una fase rinforzante ma infragilente. Il Cr fonde a 1890°C; perquanto riguarda gli equilibri solido-liquido si osserva in corrispondenza del 22% di Cr unasituazione analoga agli azeotropi dei sistemi liquido-vapore (quando la miscela di due sostanze sicomporta come se fosse una sostanza a sé): dal bagno metallico si separa un solido di egualecomposizione.Il campo di stabilità della ferrite si trova ad essere saldato con quello della ferrite : si è solitianche indicare questa ferrite con il solo nome di ferrite in quanto è la forma di alta temperaturache, grazie alla presenza di Cr, viene portata a basse temperature in condizioni di equilibrio.A partire dal 12% di Cr viene ad essere soppressa la trasformazione austenitica, ma con alteconcentrazioni di C la % di Cr necessaria per sopprimere la trasformazione austenitica aumenteràsicuramente. Dalle considerazioni fatte, possiamo presupporre che acciai con minor C avrannouna maggior concentrazione di Cr, e di conseguenza un miglior strato passivato; mentre alteconcentrazioni di C impegneranno il Cr nella formazione di carburi, influenzando dunque la res.

alla corrosione dell‟acciaio.

DIAGRAMMA DI STATO Fe-Ni

Il Ni è un elemento con caratteristiche austenitizzanti: esso amplia il campo di stabilità della fase sia da 900°C che da 1400°C. Essendo il Ni un elemento sostituzionale i campi e sono piùestesi rispetto a quelli del sistema Fe-C (minore distorsione reticolare rispetto ad elementiinterstiziali). Sono necessarie consistenti % di Ni per avere l‟austenite stabile a basse temperature

(40% di Ni per portare in condizioni di stabilità l‟austenite a 400°C).




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I diagrammi di stato sono tracciati in condizioni di equilibrio: come si modificano le previsioniformulate sulla base dei diagrammi di stato quando considero trasformazioni reali?La risposta si correla con la velocità di raffreddamento che realizzo nel sistema. Sono

improbabili le trasformazioni che comportano fenomeni di diffusione a bassa temperatura: latrasformazione che viene soppressa più facilmente è la decomposizione della fase del sistemaFe-Ni. In conseguenza di ciò posso avere la stabilizzazione dell‟austenite a basse temperatureanche per percentuali di elementi di lega inferiori a quelle previste dal diagramma di stato. Ciò èimportante perché mi consente di portare a temperatura ambiente in condizioni metastabili unafase con struttura CFC (chiaramente il C, oltre che austenitizzante, farebbe evolvere l‟austeniteverso la martensite).

Le leghe inox possiedono un notevole interesse applicativo per altre due fondamentalicaratteristiche:

Lavorabilità a freddo: essendo effettuata su un reticolo CFC, proprio degli inox, mi

garantisce un rafforzamento per incrudimento (gratuito!) Saldabilità: leghe inox sono notevolmente prestazionali sotto questo punto di vista dato

il loro basso tenore di carbonio

Gli acciai inox si dividono in austenitici, ferritici, duplex e martensitici e sono tutti consideratinel Diagramma di Schaeffler, che prevede la struttur a conseguibil e in un cordone disaldatur a in funzione dei parametr i composizional i.

Prendiamo ora in considerazione cosa avviene al raffreddamento di una lega metallicacontenente Fe, Cr e Ni prevalentemente; esaminiamo questa lega perché vedremo che è quella di

base degli acciai inossidabili. Il diagramma di Schaeffler illustra le strutture cineticamente stabilia temperatura ambiente in funzione del Crequivalente e del Niequivalente. In ordinata è riportata la %degli elementi austenitizzanti sotto forma di Niequivalente: a ogni elemento austenitizzante è

associato un coefficiente moltiplicativo, ad esempio 30 per il C rispetto al Ni cui è assegnato ilcoefficiente 1, ad indicare che il C è un elemento con un potere austenitizzante 30 volte superiore




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a quello del Ni a parità di percentuale; in definitiva

Nieq = %Ni + 30%C + 0.5%Mn

In ascisse è riportata la percentuale di elementi alfogeni sotto forma di Cr equivalente che,con lo stesso significato indicato in precedenza per gli elementi austenitizzanti, è

calcolato comeCr eq = %Cr + %Mo + 1.5%Si + 0.5%Nb

In assenza di elementi alfogeni l‟austenite è cineticamente stabile a partire dal 25% di Nieq; seaggiungiamo il Cr (o elementi equivalenti), il campo di stabilità dell‟austenite si amplia poichévengono ad essere ritardate le trasformazioni allo stato solido. Il min imo contenuto dielementi leganti per avere austeni te cineticamente stabi le èdell ’ 11% di Ni eq e 18% di Cr eq .;il tenore di Nieq che mantiene la struttura austenitica dipende chiaramente dal Cr eq. Unastruttura di tipo martensitico è prevedibile per tenori Nieq tra il 7% e il 20% in assenza di Cr eq;la struttura martensitica si origina al solito da una trasformazione senza diffusionedell‟austenite in una struttura TCC. In genere per essere interessante dal punto di vista

applicativo la martensite deve comunque avere durezze superficiali significative e pertantodeve essere ricca in C. Ottengo una martensite con queste caratteristiche con il 12-14% di Cr eq

a patto di avere opportuni valori di Nieq (ed in definitiva di C).

La struttura ferritica è ottenibile, in assenza di elementi austenitizzanti, a partire dal 12% diCr eq; aumentando il tenore di questi ultimi deve chiaramente salire il valore del Cr eq.

Gli acciai inossidabili austenitici, quelli ferritici e quelli martensitici sono sicuramente quelli dimaggiore interesse applicativo; l‟acciaio bifasico austenitico- ferritico (duplex) ha avuto piùrecenti applicazioni, ad esempio per applicazioni nelle trivelle petrolifere. Gli acciaicorrispondenti alle altre strutture intermedie non hanno praticamente alcuna importanza pratica.

Come possono questi acciai essere inossidabili? il fenomeno è estremamente interessante: essisono inossidabili perché passivati, cioè perché in presenza di un ambiente aggressivo si ricopronospontaneamente di uno strato di ossidi in superficie, proteggendo così la matrice sottostantedall‟attacco. L‟elemento che conferisce lo stato di passività è il Cr a causa della sua estremaaffinità con l‟ossigeno. Esiste chiaramente una scala di inossidabilità: più aggressivo è l‟ambientee maggiore deve essere il tenore di elementi di lega che conferiscono lo stato naturale di

passività.

Altre formulazioni più complete per cromo e nichel equivalente sono:

Cr eq = %Cr + 1,5 %Mo + 2 %Si + 5 %V + 5,5 %Al + 1,75 %Nb + 1,5 %Ti + 0,75 %W(formula molto affidabile per i duplex)

Nieq = %Ni + 30 %C + 0,5 %Mn + 25 %N + 0,3 %Cu + %Co

Si noti come pur essendo N più austenitizzante di C, nella formula abbia un coefficiente più piccolo; questo perché non si considera solo il potere austenitizzante ma anche la tendenza aformare composti interstiziali. Notare anche Ni=Co.In conseguenza sono stati costruiti dei diagrammi di Schaeffler modificati Diverse formulazioni dello stesso elemento equivalente (Ni, Cr, C…) sono da attribuire alleinterazioni tra i vari elementi in lega, ma gli effetti finali delle formulazioni sono analoghi.




140

Acciai Inox

austenitici Sono caratterizzati dalla presenza di alti tenori Ni che tende a stabilizzare il reticoloCFC.

Le due leghe inox austenitiche più importanti:

X5CrNi18-10 AISI 304 X2CrNi18-11 AISI 304L (L sta per low carbon e ovviamente è una lega

più costosa in quanto tuttora è più difficoltoso il processo per portare la percentuale di carbonio a livelli minimi)

Acciai R R 0,2 % RIX5CrNi18-10 600 250 55 18 (basso)X2CrNi18-11 550 220 55

L‟AISI 304 nel diagramma di Schaeffler si trova al minimo di Nieq per l‟austenite, è

facilmente saldabile in quanto presenta una ZTA (Zona Termicamente Alterata)„ prestazionale‟, anche con grano ingrossato, poichè è dotata di buona tenacità in virtùdel reticolo CFC. Non presenta questa lega una transizione duttile-fragile per cui puòessere utilizzata a bassa temperatura (applicazione di tipo criogenico). Ha unasuperficie sovente con una caratteristica lucentezza satinata: la satinatura deriva dalfatto che l‟acciaio è facilmente rigabile in virtù della modesta durezza superficialeessendo stato rafforzato solo per incrudimento da deformazione plastica.Con questa lega vengono coniate le monete.Essendo austenitico non è ferromagnetico ed è quindi invisibile ai radar (applicazioniStealth).

L‟AISI 304L è a saldabilità migliorata (per via del modestissimo tenore di C).Questo acciaio possiede un carico di snervamento di 250 MPa, un carico di rottura di550 MPa ed un allungamento pari al 55%; l‟acciaio è molto deformabile e quindiadatto per processi di deformazione plastica a freddo. Nel diagramma seguenteriportiamo in funzione del grado di deformazione l‟andamento del carico di rottura,del carico di snervamento e dell‟allungamento:

Perché il differente andamento del carico di snervamento e di quello di rottura? Tra losnervamento e la rottura ho la deformazione plastica del materiale; la deformabilità diun materiale incrudito è minore di quella di un materiale non incrudito (malleabilità).




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DENOMINAZIONE COMPOSIZIONE R 0,2 A% PRI

AISI 302 X10 Cr Ni 18-09 280 45

AISI 304 X5 Cr Ni 18-10 250 55 18

AISI 304L X2 Cr Ni 18-11 220 55

AISI 316 X5 Cr Ni Mo 17-12 260 55 24,5

AISI 316L X2 Cr Ni Mo 17-12 240 55

AISI 321 X6 Cr Ni Ti 18-11 250 50

AISI 347 X6 Cr Ni Nb 18-11 260 40

A PARTE

AISI 309 X6 Cr Ni 23-14 320 45

AISI 310 X6 Cr Ni 24-20 350 45

La struttura CFC si incrudisce perché nella deformazione plastica ho un notevole efacile movimento delle dislocazioni che, interagendo tra loro, determinano ilrafforzamento del materiale (l‟acciaio inox ferritico ha una possibilità di incrudimento

più modesta in virtù del reticolo CCC).Posso eliminare l‟incrudimento con una opportuna ricottura: nel corso del

riscaldamento non ho alcuna trasformazione ma solo la ricristallizzazione dovuta allatrasformazione dell‟energia di deformazione accumulata sotto forma di dislocazioni inenergia di ricristallizzazione. La ricottura va condotta a temperature superiori a1000°C per evitare quei fenomeni di riduzione della resistenza alla corrosione noticome sensibilizzazione (fenomeno che rende un acciaio inossidabile sensibile allacorrosione intercristallina a seguito della precipitazione di carburi di cromo a bordograno, dovuta ad una permanenza del materiale ad una temperatura indicativamentecompresa tra 450-850°C).

Classificazione

inox austenitici

In tutti il Cr non è inferiore al 17%, per il semplice fatto che è la percentuale criticasotto la quale la lega è più resistente alla corrosione per pitting.Inoltre si nota che tutti hanno in comune basso tenore di C, a parte il 302 che èd‟interesse storico, in quanto in passato era difficile produrre una ferrolega Fe/Cr a

basso contenuto di C. Gli acciai inox attuali vengono infatti prodotti a partire da

rottami, ai quali vengono aggiunti correttivi sotto forma di ferroleghe, in fornichiamati Convertitori AOD (Argon-Oxigen Decarburation).Il Mo è aggiunto per incrementare l‟indicatore, definito come Indice di Pitting:

Esempio:I.P. = %Cr + 3%Mo + 16%N

(IP)316 = 17+ (3×2) = 23 (è l‟I.P. indicato per resistere all‟acqua di mare)

Tale fattore indica l‟attitudine di una lega inox a essere soggetta alla corrosione per pitting; maggiore è l‟indice di pitting, maggiore sarà la sua resistenza a questo tipo dicorrosione.




142

L‟AISI 316 è stato quindi creato perché è decisamente più resistente del 304 in acquadi mare.L‟AISI 321 e 347 sono stabilizzati perché in lega hanno Ti e Nb che servono perevitare la precipitazione di carburi di Cr, in quanto sono loro più affini al C,eliminando così i fenomeni di sensibilizzazione alla corrosione intergranulare.

A questi due acciai però sono ora preferiti i meno costosi AISI 304L e 316L, con bassissimo contenuto di C, e quindi poco „sensibilizzabili‟.

In generale è presente sempre Ni, che stabilizza la struttura austenitica e ne riduce lametastabilità, in percentuale variabile da 9-12%, ma perché dato che ne basterebbel‟8% per una struttura totalmente austenitica? Semplicemente perché sono acciai dadeformazione a freddo, e con poco Ni si rischia di formare martensite indottameccanicamente, con conseguente difficoltà di lavorazione a causa della riduzione diA% (infatti nel 302 si forma molta più martensite che in 304, con conseguente crolloanticipato di A%)

AISI 309 e 310 possiedono un tenore di Cr elevato (si possono formare anche piùcarburi senza perdita di resistenza a corrosione), quindi per mantenere un strutturaaustenitica hanno anche tenori elevati di C (per aumentare Niequivalente) e Ni. Questiacciai vengono comunemente denominati refrattari perché adatti a lavorare ad altetemperature; per tale utilizzo sono caratterizzati da una bassa sensibilità e una buonaresistenza al creep (migliorata in parte anche dalla presenza dei carburi).Una comune applicazione per il 309 e 310 è per cestelli contenenti i pezzi destinati ai

trattamenti termici nei forni, neanche le atmosfere riescono infatti ad aggredirli inquanto passivati in superficie.Gli acciai inossidabili austenitici sono molto utilizzati nella produzione di lamiere;

prevalentemente esse si lavorano mediante deformazione plastica a freddo. I laminatia caldo devono subire un decapaggio, cioè devono essere solubilizzati gli ossidisuperficiali che si sono formati durante la laminazione a caldo. Negli acciaiconvenzionali si formano durante la laminazione a caldo delle scaglie di magnetite;negli inox austenitici si formano spinelli del tipo FeOCr 2O3 che sono più aderentidella magnetite e che danneggiano esteticamente il materiale. Il decapaggio si realizzacon miscele di HCl e HNO3 e porta ad una superficie perfettamente pulita. A questo

punto si procede nella laminazione; per ridurre gli effetti legati all‟incrudimento si

esegue una ricottura, ma non in aria per evitare una nuova ossidazione superficiale. Iltrattamento viene definito come ricottura brillante.




143

Acciai Inox

martensitici Classificati anche come acciai da utensile, per via dell‟elevata resistenza ad usura.

Sono ovviamente anche resistenti alla corrosione, in misura minore rispetto agli altriacciai inox.Queste leghe possiedono un tenore di carbonio maggiore delle altre, ma perché, datoche genera precipitazione di carburi?

Infatti il nostro obiettivo, in questo caso, è quello di ottenere una matrice tenacizzante(martensite rinvenuta) e una fase resistente all‟usura (carburi)

DENOMINAZIONE COMPOSIZIONE AISI 410 12 Cr 13 %Mn = 1 Ceq=13 Nieq=4,1AISI 420 30 Cr 13 %Mn = 1AISI 440 A* C = 0,70 %Cr = 17 %Mn = 1AISI 440 B* C = 0,85 %Cr = 17 %Mn = 1AISI 440 C* C = 1 %Cr = 17 %Mn = 1

*autotempranti

Sono acciai relativamente poveri di Cr e si distinguono fra loro per via del costanteaumento di C, il quale aumenta la resistenza all‟usura, ma diminuisce la resistenza allacorrosione, il loro uso è consigliato in ambienti poco aggressivi. Ai primi due acciainon corrisponde una struttura martensitica spontanea: essa deve essere ottenuta con unopportuno trattamento di bonifica, mentre gli AISI 440 sono autotempranti.Considerando ora due sezioni del diagramma di stato ternario Fe-Cr-C:

Si noti che sul diagramma di Shaeffler, la composizione del 410 non è nel campomartensitico perché il diagramma riguarda le strutture formate da liquido; mentrel‟AISI 410 è un inox martensitico a seguito di un trattamento termico:

A 1050°C il 410 è composto completamente da quindi, dopo la tempra, avrò unastruttura martensitica.




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Il primo diagramma si riferisce ad un tenore di Cr tipico degli acciai AISI 410 ed AISI 420: neldiagramma si può vedere come l‟aumento del tenore di C determina un ampliamento del campodell‟austenite; in esso deve essere portato l‟acciaio per ottenere una struttura martensitica conl‟operazione di tempra. L‟AISI 420 deve essere ad esempio portato a 1000°C per avere la suacompleta austenitizzazione.Il secondo diagramma si riferisce ad un tenore di Cr tipico degli AISI 440. Il campo èestremamente ridotto; per poter giungere con una tempra a strutture totalmente martensitichedevo avere almeno lo 0.3% di C: le temperature per sopprimere la fase sono superiori a 1000°C dove sono stabili l‟austenite e i carburi. Per leghe più ricche di C, seaumento la temperatura di preriscaldamento sino a 1200°C, aumento il tenore di C nell‟austenitegrazie alla progressiva dissoluzione dei carburi; in conseguenza di ciò al maggiore tenore di Cnella martensite ottenuta per tempra corrisponderà un ovvio aumento di durezza.

Per dare origine a un acciaio con matrice martensitica e carburi rinforzanti devo prendere in

considerazione un nuovo fenomeno, l‟incontro nel diagramma CCT della curva di nucleazionedei carburi (curva K ), la quale si presenta in leghe inox con elevato tenore di Cr e C.E‟ necessaria una distinzione preliminare inerente i carburi : Carburi primari : precipitano durante i processi di produzione siderurgici e si dispongono in

prossimità dei Bordi di grano austenitici con effetti infragilentiCarbur i Secondari :sono i carburi che precipitano durante i trattamenti termici, sonoresponsabili del rafforzamento della matrice disponendosi omogeneamente, ovviamente semprein funzione del taglio della curva K.

Seguendo le curve di raffreddamento giungerò a risultati differenti:1. struttura solo martensitica, situazione che si verifica se utilizzo un mezzo temprante

molto drastico o se ho poco C (situazione che mi fa traslare la curva di nucleazionedei carburi verso temperature più elevate)

2. ottengo carburi in una matrice martensitica

3. incontro la curva K più in alto, avrò, quindi, meno carburi, per via della velocità diraffreddamento, ma più grandi, data la maggiore permanenza in temperatura; al contrarione avrò di più piccoli, ma ben distribuiti incontrando K a temperature inferiori (caso 2).

Nel 410 riesco a solubilizzare completamente i carburi nella matriceaustenitica. Nel 440 non riesco ad avere solo , ma + carburi.

4. Carburi + ferrite, ottengo valori di durezza in funzione della quantità di austenite




145

residua. A basse velocità di raffreddamento, i carburi primari siritrovano a crescere , abbassando la tenacità del materiale.

A temperature di austenitizzazione elevate la durezza (HRC) diminuisce in quanto le elevatetemperature tendono ad arricchire l'austenite di C provocando un abbassamento del Mf il che sitraduce in un rischio maggiore di avere austenite residua alla fine del ciclo termico, responsabile

per l‟appunto del calo di durezza. Con bassi tenori di C ho austenite omogenea, altrimenti austenite omogenea + carburi.Per favorire la dispersione dei carburi ed annullare l‟effetto d‟intaglio infragilente dei carburi

primari, è possibile mescolarli tramite deformazione plastica: in acciai con alte %Cr e %C èfondamentale la fucinatura dopo la colata (per grandi fucinati si effettua una deformazione

plastica tridimensionale).Soluzioni possibili al problema :

1.

Effettuare un ciclo termico che limiti il tenore di austenite residua; il che sostanzialmentevuol dire effettuare il trattamento a T minori, tuttavia avremo poco C in soluzione che ci

porterà ad avere durezze superficiali minori.2. Decomporre l'austenite residua successivamente tramite trattamento criogenico, ma

essendo gli acciai inox martensitici di scarsa conducibilità termica provocheremmonotevoli tensioni interne dovute allo shock termico..

In questa tipologia di acciai dunque è necessario (fondamentale) effettuare gli step di preriscaldamento, anche dai 1050 ai 1150°C, in modo da diminuire la differenza di temperaturatra superficie e cuore poiché tali acciai presentano una scarsa conducibilità termica.

Il processo di rinvenimento, essendo leghe ternarie (Fe-C-Cr) e quindi sensibili a fragilità darinvenimento, può essere effettuato con due metodi:1.

Rinvenirli nell‟intorno di 200°C, quando si deve mantenere la resistenza all‟usura.Es. coltelli taglienti in inox martensitico con manico in legno, rinvenuti a questa T per

permettere il mantenimento di un filo eccezionale della lama (a differenza dei coltelli dadesign prodotti in inox austenitico facile da lavorare);

2. Per mantenere, invece, equilibrio tra durezza e tenacità rinvengo a 500÷550°C,successivamente, per evitare di passare molto tempo nella zona di fragilità darinvenimento, effettuo ancora una tempra dopo rinvenimento.

Quali sono le applicazioni tradizionali degli acciai inossidabili martensitici? Innanzitutto essi

presentano una notevole resistenza all‟usura per la presenza nella matrice di quantità significativadi carburi: essi sono immersi in una struttura rinvenuta (la durezza dei carburi è notevolmentesuperiore a quella della matrice); la resistenza all‟usura non ha alcun legame con la durezzasuperficiale. Per l‟AISI 440 la resistenza all‟usura aumenta nel passare dal tipo A al B ed al C:




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aumento infatti così la % di C e quindi la % dei carburi nella matrice.Utilizzo tipico di questi acciai lo si ha negli stampi per materie plastiche. In conseguenza deicostituenti delle materie plastiche posso avere emissioni di sostanze clorurate, fortementeaggressive sullo stampo; questa aggressività può essere ostacolata dalla presenza in lega di Cr. Al

polimero vengono solitamente aggiunti degli inerti per rafforzarlo; essi rendono la miscela

fortemente abrasiva per cui lo stampo deve avere contemporaneamente una buona resistenzaall‟usura. Essendo lo stampo soggetto a pressioni interne elevate esso dovrà presentare una certatenacità. Gli acciai inossidabili martensitici devono essere anche caratterizzati dalla lucidabilità,che li rende adatti, ad esempio, a costituire stampi per lenti, dove anche un minimo difettosuperficiale si ripercuoterebbe sulla lente. L‟acciaio deve essere di elevata durezza, cosicché nellalucidatura l‟abrasivo tagli le creste senza incidere la superficie, e deve avere un modesto livelloinclusionale, poiché, nella lucidatura, l‟abrasivo potrebbe allontanare le inclusioni, trascinandolesulla superficie e lasciando una traccia.

Importante campo di applicazione sono gli strumenti da taglio, prestando attenzione alrinvenimento (si fa a 200°C) e al %C; il contenuto di carbonio infatti è proporzionale alla

capacità della lama di restare affilata per molto tempo (~durezza). Se il rinvenimento si facessead alta temperatura si incorrerebbe in problemi di fragilità da rinvenimento (perché in lega c‟èsolo Cr), per questo motivo è possibile fare un rinvenimento ad alta temperatura solo se seguitoda un rapido raffreddamento, che evita la permanenza nella zona di fragilità, ottenendo cosìmaggiore tenacità.

AISI 440C è molto simile al X105 Cr Mo 17, che è un acciaio da cuscinetti, molto duro,ovviamente non facile da lavorare.

Acciai inox ferritici

Gli intervalli di composizione degli acciai inossidabili ferritici sono quelli già esaminati nel

diagramma di Schaeffler. Dal diagramma di stato Fe-C-Cr con il 18% di Cr evidenzio come sinoallo 0.06% di C, qualsiasi sia la temperatura alla quale porto il materiale, non si hanno transizionidi fase: viene del tutto soppressa la trasformazione; sino a che non inizia la formazione di liquido ho solamente ferrite (sono a destra delcampo bifasico + del sistema Fe-Cr). L‟acciaio inossidabile ferritico è l‟unica lega ferrosa chea qualsiasi temperatura presenta una struttura ferritica; ciò fa sì che essi non siano assoggettabiliai convenzionali trattamenti termici, ad esempio alla bonifica.Il tenore di Cr negli acciai inossidabili ferritici è variabile, a partire dal 12% di Cr eq. Con una bassaquantità di C si ha l‟AISI 405 (0.06% C, 13% Cr), acciaio di modeste qualità; ma l‟acciaio piùimportante è l‟AISI 430 (0.08% max C, 17% Cr) in cui il maggiore tenore di Cr conferisce una

buona resistenza alla corrosione rispetto all‟AISI

405. Questi due acciai sono extradolci; per lavorazioni alle macchine utensili danno un truciolomolto tenace. Come già visto in precedenza si può modificare questocomportamento aggiungendo dello S: si ottiene così l‟AISI 430 F (17% Cr, 0.1% C, 0.2%S, 0.6%Mo). Il Mo innalza la temperatura di fusione dei solfuri quindi consente di evitare la formazionedi paglie di solfuri: essi rimangono tondeggianti ed il pezzo è meccanicamente isotropo; il Mo èinoltre un elemento ferritizzante e stabilizzante dei carburi. Il tenore di C può arrivare allo 0.1%

perché ho un tenore maggiore di Cr. L‟AISI 446 (0.16% C, 26% Cr) ha un‟elevatissimaresistenza alla corrosione ed una maggiore resistenza meccanica a trazione. Valutiamo per tuttiquesti acciai i carichi di snervamento e gli allungamenti percentuali:




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DENOMINAZIONE COMPOSIZIONE R 0,2 A%

AISI 405 X6 Cr Al 13 230 20

AISI 430 X8 Cr 17 250 18

AISI 430F X10 Cr S 17 250 18

AISI 446 X16 Cr 26 280 15

Poiché la ferrite è stabile a tutte le temperature dato l‟elevato numero di elementi alfogeni, comuni

trattamenti termici quali la bonifica non sono applicabili, anche tutti i trattamenti termici cherichiedono una bonifica preventiva non sono applicabili.L‟altra classe di leghe che presentavano l‟Al (fortemente alfogeno) nella propria composizione

erano gli acciai da nitrurazione, ma è possibile una nitrurazione su degli inox? No, un‟ottimalenitrurazione è impedita dallo strato passivato di ossido il quale impedisce l‟adsorbimento

superficiale dell‟azoto, sarebbe applicabile con qualche riserva una nitrurazione ionica.

I carichi di snervamento sono molto bassi; la resistenza a trazione finale varia tra 450- 500 MPa.I valori di tabella sono relativi ad un inox ferritico ricristallizzato. La bassa resistenza meccanicae l‟elevato allungamento è del resto inevitabile in un acciaio dolce. Gli inox ferritici sono indicati

per processi di deformazione plastica a freddo anche se i migliori sono gli inox austenitici invirtù della cella elementare di tipo CFC, e non CCC come in questo caso. Se prendo un pezzo elo riscaldo a 1000°C per un tempo lungo, ho un forte ingrossamento del grano (i bordi di grano

sono molto mobili); se raffreddo il pezzo non succede più nulla. Nel successivo processo dideformazione plastica a freddo i cristalli si deformano nella direzione di deformazione,determinando un incrudimento del materiale ed un aumento delle sue caratteristiche meccaniche.Se riscaldo, i cristalli si rigenerano con una dimensione più ridotta.Ad un grano ingrossato si associa una minore tenacità: ciò ha fortemente limitato l‟uso degliacciai ferritici; il problema è comunque inessenziale quando l‟acciaio inox viene utilizzato adalta temperatura, dove l‟unica cosa che interessa è la resistenza all‟ossidazione. Il problemache qui si incontra se non utilizzo un acciaio inox ferritico è la scagliatura: si forma unostrato di ossido che al raffreddamento tende a frantumarsi per il diverso coefficiente diconducibilità termica rispetto alla matrice.

Valutiamo infine nel diagramma seguente il valore della resilienza, data come indice di tenacità,al variare della temperatura di esercizio:




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L‟acciaio inox ferritico è duttile ad alte temperature e la resilienza decade in modosignificativo attorno a 0°C portando ad un comportamento fragile; la temperatura di questatransizione duttile-fragile è convenzionalmente associata al flesso della curva

L‟inox martensitico ha una temperatura di transizione inferiore a quella dell‟inox ferritico,mentre l‟inox austenitico ha sempre comportamento duttile.

Come posso migliorare il limite degli inox ferritici?La transizione duttile-fragile è legata alla presenza di elementi interstiziali: al diminuire dellatemperatura diminuisce la solubilità degli elementi interstiziali nel reticolo della ferrite ed essivanno a bloccare le dislocazioni con annullamento della duttilità (il principale imputato di questofenomeno è l‟ N che a temperature minori di 0°C ha solubilità nulla nel reticolo della ferrite). Perlimitare questo fenomeno posso usare acciai inox ferritici a basso contenuto di interstiziali, dettiacciai ELI ( Extra Low Interstitial ). Il materiale ha però pessime caratteristiche meccaniche; perquesto motivo aggiungo microalliganti, ad esempio il Nb, per affinare il grano della ferrite. Tre

particolarità che differenziano inox austenitici da inox ferritici sono che: i primi sono amagneticiquindi utilizzati per aerei invisibili ai radar, lavorabili plasticamente a freddo e più resistenti allacorrosione (in quanto è presente in media il 10%Ni che sostituisce in ferro), mentre i secondisono paramagnetici, lavorabili per asportazione di truciolo e l‟unico modo per renderli pari agliaustenitici in resistenza alla corrosione è eliminare interstiziali (acciai ELI con C<0,02 e N<0,02).

Acciai inox duplex

In genere se aumento la resistenza meccanica diminuisce la deformabilità plastica a freddo; la presenza di una struttura austenitica compensa questo effetto. Negli acciai duplex o bifasici sicerca a questo proposito di avere austenite e ferrite in un rapporto di circa 1:1. La resistenzameccanica, rispetto agli inox ferritici od austenitici, viene praticamente raddoppiata ed anchel‟indice di pitting è molto elevato.

AUSTENITE : fase tenacizzante, la sua presenza nella struttura è influenzata dalle quantità di N& Ni, i quali saranno disciolti in essa.

FERRITE : fase rinforzante e maggiormente res. alla corrosione,è influenzata dalle

concentrazioni di Cr & Mo, i quali saranno disciolti in essa.Gli acciai duplex non sono normalizzati: si contraddistinguono con una sigla all‟interno dellaquale ogni produttore agisce con un certo margine di libertà. Essi sono costituiti da un gran




149

numero di elementi di lega; a questo proposito diamo le espressioni più complete del Cr eq, del Nieq e dell‟indice di pitting, ora denominato PREW ( Pitting Resistence Equivalent Tungsten):

Cr eq = %Cr + 1.5%Mo + 2%Si + 5%V + 5.5%Al + 1.75%Nb + 1.5%Ti + 0.75%W Nieq = %Ni +

30%C + 0.5%Mn + 25%N + 0.3%Cu + 1%Co

PREW = %Cr + 3.3(%Mo + 0.5%W) + 16%N

Caratteristica principale è l‟equipartizione nella struttura di austenite e ferrite. Cr e Mo inquantità decisamente più elevate portano ad un incremento di resistenza alla corrosione.Si nota inoltre che il tenore di N come legante principale è particolarmente elevato; ciò è

giustificato dal fatto che vogliamo ottenere una certa percentuale di austenite stabile, edessendo l‟azoto un forte austenitizzante esso fa al caso nostro, aumenta anche il PREW. Il primo dei duplex in tabella è concorrenziale/sostituzionale rispetto all‟AISI 316; è però menocostoso in quanto non contiene Mo. Gli acciai della famiglia 23Cr hanno la seguentecomposizione media: 23% Cr, 4.5% Ni, 0.2% Mo, 0.03% C, 1% Si, 2.5% Mn, 0.10% N; siconsegue un PI = 25. Rispetto al 22Cr si è aumentato il tenore di Cr ma ciò ha consentitol‟abbattimento del tenore di Mo, principale fattore di costo del 22Cr. La diminuzione del tenoredi Ni comporta un incremento della quantità di Mn ed una diminuzione della percentuale di N

per mantenere l‟equilibrio austenite-ferrite nelle proporzioni volute.Il secondo invece ha meno Cr, è la lega duplex più antica, Gli acciai di questa famiglia hanno laseguente composizione: 22% Cr, 5.5% Ni, 3% Mo, 0.03% C, 1% Si, 2% Mn, 0.16% N. Il tenore

di elementi austenitizzanti è decisamente superato, come effetto, da quello degli elementiferritizzanti. Si garantisce un PI = 35 (grazie ad un incremento di N, a costo modesto, e conriduzione di Ni, il cui costo è decisamente elevato).Il terzo è il cosiddetto superduplex nel quale si rilevano tenori di Cr, Mo e N elevatissimi, conun incremento ulteriore di Ni, ottenendo così il massimo I.P.>40. Negli acciai 23Cr il contenutominimo dell‟ N è dello 0.1%, nel caso dei super duplex esso supera lo 0.3%: questa èl‟innovazione fondamentale. L‟ N è un elemento interstiziale come il C per cui un elevato tenoredi N potrebbe ritenere che induca fenomeni di sensibilizzazione, cioè alla riduzione del tenore diCr nelle zone a bordo grano. Negli acciai bifasici il tenore di Cr minimo è però del 22%significativi fenomeni di sensibilizzazione sono meno probabili. Inoltre mentre i carburi di Crtendono a precipitare preferenzialmente a bordo grano, ciò non accade con i nitruri di Cr (CrN).La presenza dell‟ N interstiziale costituisce il segreto del rafforzamento meccanico di questa lega,rafforzamento che è dovuto alla formazione di ferrite sovra satura in N. L‟aumento del tenore diCr determina poi un notevole miglioramento della resistenza alla corrosione.

COMPOSIZIONE N I.P. R 0,2 A% KV

X2 Cr Ni 23-4 0,05-0,2 25 400 25 60

X2 Cr Ni Mo 22-5-3 0,1-0,22 35 460 25 60

X2 Cr Ni Mo N 25-7-4 0,2-0,35 >40 530 20 60

X2 Cr Ni Mo W N 25-7-4 0,2-0,3 >40 530 25 60




150

Nel quarto ed ultimo si aggiunge anche W (incrementa l‟indice di pitting); diminuiscel‟allungamento percentuale per via dell‟incremento degli elementi ferritizzanti.

Le leghe duplex possiedono buona resistenza alla corrosione intergranulare, dovuta allamassiccia presenza di Cr e Mo; peraltro l‟elevato tenore di leganti e di N fanno precipitarenitruri uniformemente in matrice.Rispetto agli altri acciai visti finora il carico di snervamento raddoppia, però l‟allungamento

percentuale diminuisce e diventa analogo a quello dei ferritici.Per via di tali caratteristiche, i duplex, vengono utilizzati in tutti quei casi in cui le sollecitazionio sono elevate o si necessita di una ottima resistenza allo SCC. L‟acciaio bifasico contravviene auna regola base della resistenza alla corrosione in quanto il materiale non è monofasico. Ingenere se ho un cristallo di austenite e uno di ferrite in contatto, uno, quello di austenite, è piùattivo dell‟altro e tende ad assumere comportamento anodico (essendo più povero di elementi

passivanti, vedi tabella sotto). Nell‟acciaio ho sia elementi austenitizzanti che elementiferritizzanti: tra ferrite ed austenite si crea una tendenza all‟accumulo degli elementi che

stabilizzano la fase. Nell‟acciaio 25Cr si sono riscontrati sperimentalmente i seguenti valori:

Ferrite Austenite

Mo 3,8 ± 0,7 2,2 ± 0,3

Cr 25,6 ± 0,9 22,3 ± 0,5

Ni 4,5 ± 0,3 7,2 ± 0,2

N 0,05 0,15

Nella ferrite il tenore di Mo e Cr è molto superiore a quello che ho nell‟austenite per cui il PIdella ferrite è superiore a quello dell‟austenite. L‟austenite costituirebbe quindi la fase piùattiva: con un reattivo metallografico essa è preferenzialmente aggredita. Negli inox duplex latendenza alla passivazione è molto maggiore per la ferrite, che così resiste meglio all‟attaccocorrosivo.Anche negli acciai austenitici si ha una quota parte di ferrite e ciò crea le condizioni perl‟innesco localizzato di fenomeni corrosivi. Negli inox bifasici la presenza della ferrite non mi

preoccupa in quanto essa ha tenori di Cr, Mo e N tali da evitare un attacco localizzato.

Purtroppo sono necessari trattamenti opportuni (uno svantaggio non da poco) per creare il giusto bilanciamento tra e . A questo scopo il ciclo termico deve essere opportuno in quanto la lega

in solidificazione tende ad una matrice con ferrite () interconnessa (matrice ferritica con cristallidi austenite segregati 50% e 50% )




151

È‟ una struttura che si genera per raffreddamento da liquido, si caratterizza per una ottima res.alla corrosione e una buona res al SCC grazie all‟austenite interna; tuttavia il rapporto ferrite /

austenite non è controllabile durante il raffreddamento dal liquido, tale situazione è analoga aquella che avviene durante un processo di saldatura. Per mantenere l‟equilibrio strutturale tra

ferrite e austenite sarà necessario usare ad esempio metalli d‟apporto contenenti elementiaustenitizzanti, o lavorare in atmosfere controllate

Se la riscaldo arrivo subito in campo austenitico, a questo punto la ri-raffreddo e segrega uncristallo di fase , creando la struttura ad austenite interconnessa (50% e 50%).

La struttura ad austenite interconnessa dunque è tipica dei pezzi che hanno subitotrattamento termico, avrà una minor res. alla corrosione ma la res. a fatica sarànettamente migliorata, in più il rapporto austenite / ferrite qui è maggiormentecontrollabile in quanto tutto il processo avviene in forno.

Queste due strutture sono ovviamente diverse, se quello che desideriamo è unastruttura resistente a fatica, la struttura ottimale è quella ad austenite interconnessa,se invece vogliamo resistenza alla corrosione, è migliore quella a ferriteinterconnessa.

Attenzione!!! È illogico effettuare trattamenti termici ulteriori nei duplex,cambierebbe tutta la struttura faticosamente ottenuta.

Saldatura di Acciai inox ferritici ELI

Un acciaio inox ferritico messo a punto molto di recente ha la seguente composizione: C<0.03%, N<0.03 %, Cr 10.5-12.5%, Ni 0.3-1%, Mn 0.5-1.5%. Questo è un acciaio

non normalizzato: le forcelle di composizione sono piuttosto ampie, lasciando così ampia libertà di bilanciamento dei vari componenti, austenitizzanti e ferritizzanti. In questo acciaio si controlla l‟ N,elemento interstiziale che, come il C, produce l‟effetto di far precipitare composti interstiziali cheriducono la resistenza alla corrosione; inoltre si osserva l‟aggiunta del Ni. Esaminiamo ildiagramma di stato Fe-Cr-Ni: con il tenore di Cr che ho al riscaldamento vado a finire nel campo

bifasico + . Da qui la soluzione del problema dell‟ingrossamento del grano nella zona delcordone di saldatura, in quella che viene definita zona termicamente alterata (ZTA). Nella ZTA

parte del materiale diviene austenite (in funzione del livello termico raggiunto) ed alraffreddamento essa si trasforma in martensite (il Ni presente non riesce a stabilizzarla sino atemperatura ambiente). La trasformazione non aumenta in modo consistente la durezza poiché la

martensite è povera di C; essa ha costanti reticolari prossime a quelle della ferrite, però presenta unsignificativo aumento del grado di finezza.. Sono così riuscito ad eliminare i problemi conseguentiall‟ingrossamento del grano poiché la ZTA sarà costituita da martensite povera di C e quindi moltotenace.Nel caso di inox ferritici tradizionali la saldatura porta, come detto, nei pressi del cordone




152

un aumento delle dimensioni del grano, è una situazione che porta ad un infragilimento, sonodunque stati creati questi inox ELI, ovvero inox ferritici a saldabilità migliorata con bassocontenuto di interstiziali.

Acciai inossidabili induriti per precipitazione

In questi materiali si utilizza un meccanismo di rafforzamento generale secondo il quale il pezzoviene assoggettato ad una tempra di solubilizzazione seguita da un invecchiamento che conducealla precipitazione di seconde fasi, le quali conferiscono un notevole rafforzamento al materiale.Sono questi acciai ibridi che derivano dall‟AISI 304 per parziale sostituzione di alcuni elementi dilega con altri in grado di provocare il rafforzamento descritto. Il più famoso è il 17-4PH

( Precipitation Hardening ) prodotto dalla ARMCO; la sua composizione è all‟incirca la seguente:

C= 0.07%, Mn = 1%, Cr = 17%, Ni = 4%, Cu = 4%, Nb = 0.1%.

Questo acciaio appartiene alla categoria degli inossidabili in quanto elevato è il tenore di Cr; laquantità di elementi austenitizzanti è comunque inferiore a quella che si riscontra nell‟AISI 304, èinoltre presente una certa quantità di Nb. L‟acciaio descritto è trattato termicamente mediante unriscaldamento a temperature di circa 1100°C, in modo tale che tutti i composti intermetallici ed icarburi passino in soluzione nell‟austenite. A causa della tempra l‟austenite si trasforma inmartensite, la quale presenta però un bassissimo tenore di C (e durezze corrispondentementemodeste: 25-30 HRC, 280 HB). Il rafforzamento del materiale è qui realizzato da un lato mediantel‟ottenimento di una struttura estremamente fine (con una notevole estensione dei bordi di grano),dall‟altro mediante la creazione di una soluzione solida (con il conseguente effetto di distorsionereticolare). Come è evidente non si tratta di una tempra di durezza: dopo la tempra il materiale è

perfettamente lavorabile. Susseguente alle lavorazioni meccaniche è il trattamento diinvecchiamento.

Diagramma indurimento per precipitazione

R

1450

1300

Superinvecchiamento: decadimento delle

proprietà

10 minLog t

Esso consiste in un riscaldamento a temperature di circa 450-550°C: non si tratta diun rinvenimento poiché con questa operazione si ottiene un rafforzamento delmateriale.

Si consegue questa finalità attraverso la precipitazione di composti intermetallici Cu- Ni-Nb; si tratta di fasi nelle quali i rapporti stechiometrici tra i vari elementi sono




153

variabili in un ristretto campo di composizioni. I composti intermetallici hanno uneffetto positivo sulla resistenza a trazione.Il principio che sta alla base di questi materiali è simile a quello che sta dietro aimateriali compositi: si realizza una matrice martensitica duttile nella quale inseriscodei composti intermetallici precipitati che sono un ostacolo al moto delle dislocazioni:è come se nel loro moto le dislocazioni andassero ad impattare su un ostacolo,sormontabile solo se la tensione supera il livello di snervamento. Si consegue inquesto modo un carico di snervamento di circa 1050 MPa ed un carico di rottura dicirca 1100 MPa, quindi dei valori in linea con quelli ottenibili con un acciaio da

bonifica. Le caratteristiche di inossidabilità e di resistenza meccanica sono vicine aquelle di un acciaio inox martensitico; la resistenza all‟usura è comunque bassissima.Acciai di questo tipo vengono utilizzati dove si vogliono evitare dei fenomeni dicorrosione ed in contemporanea si richiede un materiale con buona resistenzameccanica (industria aerospaziale ad esempio). Un composto intermetallico lo si è già

preso in considerazione nel sistema Fe-Cr: la fase . Questa fase precipita a

temperature poco inferiori agli 800°C ed agisce secondo un meccanismo analogo aquello descritto in precedenza. Questa precipitazione può però determinare dei problemi quando permango per tempi relativamente lunghi alle temperature distabilità della fase ; è ciò che accade ad esempio in un processo di saldatura nellaZTA. In questo caso la precipitazione di fase può avere due conseguenze gravi: ilrafforzamento locale (che comporta un infragilimento della zona interessata dalla

precipitazione) ed il depauperamento di Cr (in conseguenza del fatto che la precipitazione della fase sottrae molto Cr dalla lega); quest‟ultimo è il fattorescatenante la corrosione intergranulare dovuta a fenomeni di sensibilizzazione. La

probabilità maggiore di avere la precipitazione della fase la si ha in corrispondenzadi elevati tenori di Cr e di percentuali di elementi austenitizzanti tali da favorire il

fenomeno (nella fase può entrare il Ni), quindi ad esempio nei super duplex. Non posso evitare la precipitazione, in questi casi, di fase : posso solamente operare in unsecondo tempo un riscaldamento della zona del cordone di saldatura perrisolubilizzare la fase (ad esempio un riscaldamento ad induzione seguito da unatempra per oltrepassare rapidamente l‟intervallo di temperatura critico).

Proprietà a

bassa

temperatura

Gli acciai inox vengono anche richiesti per applicazioni criogeniche, è assolutamentenecessario quindi cercare una soluzione al problema della transizione duttile-fragileche si instaura quando faccio lavorare un acciao a basse temperature.

Per gli acciai inox ferritici questo fattore genera un grosso problema, perché gliinterstiziali in soluzione solida non sono liberi di muoversi nel reticolo; la zona che prediligono è quella, ovviamente, a più bassa densità, ma dove si trova? Bensì nellazona sottostante il semipiano aggiunto di una dislocazione.




154

Zona a minore densità

Tale luogo attrae gli interstiziali, con una forza tanto maggiore, tanto più latemperatura si abbassa; la forza di attrazione è di tipo elettrostatico e si instaura trainterstiziale e semipiano, è la cosiddetta atmosfera di Cottrel. Questo è un guaio

perché non da più la possibilità alla dislocazione di muoversi, causando così un forteinfragilimento e decadimento della tenacità.

Atmosfere di Cottrel stabili si formano negli inox ferritici a temperature intorno agli0°C.

KCu/Kic

Acciaio austenitico

Acciaio martensitico

fragile

duttile

A Acciaio ferritico

B

A : condensazionedell’at mosfera di cottrel

B: evaporazionedell’at mosfera di cottrel

0°C T di transizione

Come si nota dal grafico, fenomeni di questo tipo non si presentano in acciaiaustenitici perché essendo che il loro reticolo è CFC gli interstiziali trovano moltospazio, ad esempio in siti ottaedrici.Gli acciai per impieghi criogenici devono quindi avere un basso tenore di C e tanto Ni(austenitizzante).Basta l‟8% di Ni per ottenere il 100% di austenite cineticamente stabile.Alcuni acciai criogenici:

COMPOSIZIONE T di servizio () %Mn

15 Ni Mn 6 - 80°C 1,2

12 Ni 14 -100°C 0,5

X8 Ni 9 -196°C 0,5

AISI 304 -196°C




155

La frontiera è quella di impiego alla T dell‟azoto liquido.

Negli ultimi due acciai la struttura è completamente austenitica e mi consentel‟utilizzo in criogenia per l‟assenza di una temperatura di transizione duttile-fragile.L‟AISI 304 è il migliore in assoluto perché mi garantisce anche l‟inossidabilità.

Effetto sugli inox austenitici della corrosione

Il problema principale deriva dal fatto che la forte tendenza alla passivazione diqueste leghe le rende sensibili alla CORROSIONE LOCALIZZATA, la quale è molto

piùsevera e distruttiva di quella uniforme in quanto è un processo perforante; ciò èdovuto alla presenza del carbonio che sottrae cromo utile alla zona passivante conformazione di carburi stabili.Il fenomeno si riscontra nella sensibilizzazione ovvero una Corrosione intergranularedove gli atomi possiedono più energia e sono quindi più favoriti a entrare insoluzione. Se ad esempio durante i trattamenti termici a T ≈ 700°C di un AISI 304

non si è stati accurati, può verificarsi la seguente catena di eventi che portano allacorrosione:1. Attivazione della diffusione2. Nucleazione dei carburi di Cr nelle zone limitrofe ai bordi di grano3. Attacco corrosivo

preferenziale 4.Questo porta ad un profilo di concentrazione del Cr irregolare con conseguentesensibilità maggiorata agli agenti chimici corrosivi perché:




156

1) Ho due tipi di Cr quello nell‟austenite e quello nei carburi nati pernucleazione, quindi l‟ultimo profilo dell‟immagine rappresenta una mediadi queste specie.

2) La corrosione che si presenta è di tipo galvanico (due zone a contatto e sicorrode quella meno nobile), perciò, essendo che nel nostro caso abbiamo icarburi inattaccabili, perché con elevatissima concentrazione di Cr e ricca che è

nobile, si corroderà di conseguenza povera.

Sup.ricca >> Sup. povera

CATODO ANODO

Intuitivo pensare che se si corrode il bordo di grano, i carburi non avranno più unamatrice, che li lega.

La decoesione intergranulare sembra una frattura fragile perché si spinge in profondità tra un grano ed un altro.I due fattori che più la influenzano sono Temperatura e tempo, perché diffusione enucleazione sono termicamente attivati e tempo dipendenti, per cui possiamo dire cheaumentando il tempo di permanenza in temperatura, aumenta la precipitazione dicarburi e conseguentemente aumenta la sensibilizzazione (ovvero quel fenomeno dicreazione di carburi a bordo grano con implicita diminuzione di passivabilità).

L‟aumento di temperatura però ha un secondo effetto una volta che tutti i carburi sono precipitati, ovvero tende a riportare la concentrazione di Cr uniforme perché continuaa favorire la diffusione, generando così un fenomeno di desensibilizzazione.

Gli effetti della temperatura sono molteplici, a T minima abbiamo una certa velocitàdi diffusione e nucleazione, aumentando la T la velocità di diffusione aumenta e diconseguenza si accentua la sensibilizzazione, il fenomeno però si inverte quandol‟incremento di T diventa così significativo tanto che la diffusione fa prevalere il suoeffetto desensibilizzante.

C‟è anche la possibilità di ridisciogliere i carburi tramite un TT; porto il pezzo atemperature sufficientemente elevate (superiori al T di sensibilizzazione) e poi loraffreddo facendolo passare velocemente attraverso il T di sensibilizzazione.

In alternativa a un trattamento di desensibilizzazione può essere ancora meglio




157

utilizzare un inox con contenuto di C bassissimo ad esempio L‟AISI 304L.Posso inoltre, per non creare carburi di Cr inserire un legante che si unisca megliocon il C, ad esempio il titanio (Ti) o il niobio (Nb).




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Vaiolatura (pitting)

Altro esempio di corrosione localizzata è la Vaiolatura o Pitting . Sia dato un acciaioinossidabile; in condizioni corrette esiste sulla superficie un film di passività. Esso

può però presentare dei difetti che determinano un‟interruzione dello strato passivo:inclusioni superficiali (che costituiscono una naturale interruzione del film di

passività), presenza di bordi di grano (in conseguenza dei quali il film tende a crescere

in modo interrotto), bande di slittamento determinate da processi di deformazione plastica (creano anch‟esse condizioni di interruzione del film di passività). L‟attaccocorrosivo da parte di una soluzione bagnante inizia proprio nelle zone in cui sono

presenti questi difetti e comporta la classica anodizzazione locale; le condizioni sono particolarmente critiche in quanto la superficie anodica è molto limitata: ciò comportauna elevatissima densità di corrente anodica.Fasi del pitting:

1) presenza di un difetto nello strato passivante

Anodo Fe Fe++ + 2e-

Catodo H2O + ½O2 + 2e- 2OH-

2) il pitting diviene come una sacca nella quale si concentrano gli ioni cloruriche continuano a corrodere incessantemente il metallo, è una situazionetragica perché il fenomeno diviene autocatalitico; non posso nemmeno portarvia i prodotti di corrosione perché velocizzo ulteriormente il processo

1) inizio reazione di corrosione a partire da un difetto

2) secondo stadio: La seconda fase del processo può essere definita attivazionecatalitica‟: il processo viene catalizzato dai clorurioni della soluzione bagnante; gliioni Cl - vanno infatti a neutralizzare gli ioni Fe++ che si sono formati nella caverna.

Nella zona catodica l‟O2 viene ridotto a ioni OH - (un ambiente protettivo sarà dunquecaratterizzato da pH notevolmente basico)




159

Nell‟ultima fase il cratere‟ si propaga a velocità elevatissima: la presenza dei prodottidi corrosione ostacola la diffusione di Cl- cosicché nella zona in cui si formano gliioni Fe++ la concentrazione di Cl- è superiore a quella presente nelle altre zone delmateriale. Gli ioni Fe++ tendono a diffondere verso le zone a comportamentocatodico: fuoriescono dalla soluzione ed incontrano gli ioni OH- dando vita ad una

zona costituita essenzialmente da idrossidi di Fe insolubili (Fe2O3nH2O) chechiameremo ruggine. La ruggine si forma nella zona in cui è presente il cratere e ciòdetermina un ulteriore ostacolo alla migrazione del‟ O2 disciolto che quindi nonriuscirà a ripristinare le condizioni di passività nel cratere. La parete può quindi essere

perforata con la conseguente messa fuori uso del pezzo.

Da quello che si è visto il pitting interessa materiali allo stato passivo: in assenza di passività ha chiaramente luogo una corrosione uniforme.Definiamo come velocità di corrosione il rapporto vcorrosione = p / (t*s) , ovvero la

perdita di peso per unità di superficie esposta all‟ambiente corrosivo nell‟unità ditempo. La vcorrosione è elevata nei processi di corrosione uniforme, mentre è modesta

nella corrosione localizzata (es. pitting); ciò non deve trarre in inganno poiché, comesi è visto, la corrosione localizzata può determinare il cedimento di un‟interaapparecchiatura.Quali sono le contromisure da adottare per fronteggiare il pitting? Possiamoinnanzitutto agire sulla composizione della lega. La resistenza al pitting viene definitadall‟Indice di Pitting (Pitting Index‟), calcolato con la formula seguente

P I = %Cr + 3%Mo + 16%N

Un acciaio AISI 304 presenta PI=19, dato che può essere interpretato sapendo che ilminimo necessario per resistere all‟attacco dell‟acqua di mare è un PI=25. Peraumentare la resistenza al pitting si può pensare di intervenire sulla percentuale di Moo di N. L‟ N è sempre stato da noi visto come un nemico (incentivava i fenomeni disensibilizzazione), ma è estremamente efficace nell‟aumentare il PI. Un‟operazione diquesto tipo ha portato all‟elaborazione degli acciai duplex od acciai bifasici di cui cioccuperemo in seguito.Il pitting, come si è visto, procede nella direzione della gravità: la soluzioneconcentrata è come contenuta in un‟ampolla con la bocca verso l‟alto. Il fenomeno èdunque di entità trascurabile se questa ampolla ha la bocca rivolta non verso l‟alto (inun serbatoio le pareti laterali sono meno sensibili al pitting del fondo). Mantenendo ilfluido in condizioni di forte agitazione posso contrastare il pitting impedendo agli ioni

Cl

-

di concentrarsi nel cratere.La vaiolatura è una forma di corrosione particolarmente insidiosa: inizialmente èmascherata dai prodotti di corrosione e si palesa unicamente quando questi hannoraggiunto quantità consistenti.

Fenomeno accoppiato corrosione-stress meccanico

(SCC: stress corrosion cracking)Una forma di corrosione particolarmente interessante è la corrosione sotto sforzo, unfenomeno determinato dall‟azione contemporanea di tensioni meccaniche e di un

ambiente aggressivo. Il processo si intende iniziato dall‟azione meccanica: le tensioni indotte creano le condizioni per la formazione di una cricca. La zona più sollecitata

meccanicamente è l‟apice della cricca, dove avviene la plasticizzazione, ovvero unforte incremento della concentrazione delle dislocazioni. Come si è già fatto rilevare in




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precedenza una zona ad elevato tenore di dislocazioni è zona a comportamento preferenzialmente anodico. Le pareti della cricca di trovano in condizioni di protezione anodica mentre l‟apice è in condizioni di attività; questa attività è esaltatadall‟afflusso nella cricca degli ioni Cl- che tendono a neutralizzare gli ioni Fe++ natidalla dissoluzione dell‟apice. Sono particolarmente sensibili alla corrosione sottosforzo quei materiali nei quali la condizione di passività non riesce a ricrearsi, ad

esempio per la presenza di elevate concentrazioni di ioni Cl-; i pezzi sensibili al pittingsono dunque anche sensibili alla corrosione sotto sforzo. Il fenomeno ha inizio quindi

per rotture dello strato passivo locale in conseguenza di sollecitazioni meccaniche e siautoesalta con un meccanismo simile a quello del pitting. La conseguenza di ciò è unvero e proprio cedimento meccanico. Forme di corrosione sotto sforzo sono stateriscontrate ad esempio nelle trivelle petrolifere. Se perforoscisti bituminosi è comune trovare sacche di H2S; in questo caso il meccanismo dicorrosione è leggermente diverso: la reazione catodica è la riduzione degliidrogenioni con formazione di idrogeno 2H+ + 2e 2H. L‟H ha una certa solubilitànell‟acciaio e tende a diffondere nelle zone del pezzo in cui maggiore è la

concentrazione delle dislocazioni. In conseguenza dell‟afflusso dell‟H l‟apice dellacricca subisce una transizione duttile-fragile; ciò determina una veloce propagazionedella cricca. In questo caso si ha il cedimento del pezzo con un ambiente non

particolarmente aggressivo.

Gli acciai inossidabili possono essere nitrurati: se la cricca si propaga nella coltre bianca si ha l‟innesco dei fenomeni di corrosione sotto sforzo. In definitiva tutto ciòche favorisce l‟innesco di una cricca è un incentivo per la corrosione sotto sforzo.

http://en.wikipedia.org/wiki/Stress_corrosion_crackinghttp://www.youtube.com/watch?v=d0LUB90uDaE

http://www.youtube.com/watch?v=09SBEIY3fMQ http://www.youtube.com/watch?v=x0mE5vH-xUE

http://en.wikipedia.org/wiki/Stress_corrosion_cracking

http://www.youtube.com/watch?v=d0LUB90uDaE


http://www.youtube.com/watch?v=09SBEIY3fMQ


http://www.youtube.com/watch?v=x0mE5vH-xUE





http://en.wikipedia.org/wiki/Stress_corrosion_cracking




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Aerazione differenziale

È il tallone d‟Achille degli inox.Altra forma di corrosione localizzata è la corrosione interstiziale: essa è dovutaessenzialmente a fenomeni di aerazione differenziale. E‟ noto che in un attaccocorrosivo la reazione catodica classica è 1/2O2 + H2O + 2e 2OH-; si abbia ora

nel pezzo una zona in cui l‟O2 abbia difficoltà ad accedere ed una zona in cuiaccade la cosa opposta: dove la concentrazione di O2 è maggiore prevale lareazione catodica ed il sistema che si viene a creare è assimilabile ad una pila aconcentrazione

[O2]bassa [O2]alta

anodo catodo

Dove ha luogo una corrosione di questo tipo? Consideriamo ad esempio ungiunto flangiato: parte della soluzione bagnante entra tra la guarnizione e laflangia. Lì mi trovo in condizione di soluzione stagnante, l‟O2 ha difficoltà adarrivarci ed inizia il fenomeno di corrosione. La fascia corrosa è pertanto quella

più vicina alla guarnizione: ho la perforazione nella zona vicino a quella ditenuta.Per ridurre questi effetti si adottano alcuni accorgimenti: o si eliminano i giunti

flangiati privilegiando quelli saldati (chiaramente dove vi sono rischi dicorrosione interstiziale) oppure si fa in modo di avere la guarnizione sporgentedalla flangia. Altra situazione tipica in cui si ha una corrosione interstiziale èquella che si presenta nei tubi interrati a contatto con terreni di diversa natura

O2 O2

Lettoimpermeabile Letto poroso

tubo

argilla sabbia

L‟O2 penetra più facilmente in un letto poroso, costituito ad esempio da sabbia, rispetto ad unletto impermeabile, costituito ad esempio da argilla. La zona più attaccata e quella in cui il

terreno cambia natura, ovviamente dal lato impermeabile‟.

Situazione analoga si ha neimateriali bitumati: un difetto nella bitumatura crea le condizioni di aerazione differenziale edove l‟arrivo dell‟O2 è difficile (cioè in definitiva dove la bitumatura è più efficace) si innesca




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il fenomeno di corrosione. Negli acciai inossidabili la corrosione interstiziale è pericolosa poiché determina localmente una minore tendenza alla passività; inoltre la possibilità dimigrazione dei clorurioni tende ad esaltare il fenomeno.




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ACCIAI DA UTENSILE

Gli acciai da utensile hanno, rispetto agli altri acciai, in generale un livello diqualità molto più elevato, cioè un tenore di elementi generanti inclusioni molto

basso (inferiore di un ordine di grandezza rispetto agli acciai strutturali perquanto riguarda S e P cioè ~ 0.0035%) ed eccezionali prestazioni (specie laresistenza ad usura).

Produzione degli stampi - Elettroerosione

Uno stampo è un elemento incavato nel quale viene posto del materiale daformare accoppiato con il punzone che provoca il riempimento della cavità.La tecnica usata per scavare l‟alloggiamento è principalmente l‟elettroerosione.

Ne esistono di due tipi: a tuffo e a filo.L‟elettroerosione a tuffo consiste nel lavorare il pezzo, posto in un oliodielettrico, non con un utensile ma con scariche elettriche che si creanodall‟accostamento di un elettrodo che funge così da catodo mentre il pezzo daanodo (polarità diretta) in regime di corrente continua pulsata.

Cu/W o Cu

lavaggio

Quando la scarica colpisce il pezzo si crea un piccolissimo cratere avente laforma dell‟elettrodo, dovuto alla sublimazione del materiale per le altissimetemperature (circa 6000°C) e si formano piccolissime gocce di metallo fuso chetendono ad essere asportate dal liquido dielettrico anche grazie ad un opportunolavaggio. Poiché però il lavaggio non è sufficiente, il movimento dell‟elettrodo èalternato. Inoltre per facilitare il lavaggio talora l‟elettrodo ha un piccolo taglioal centro (il cui negativo rimane impresso sul pezzo e sarà asportato per viameccanica alla fine), ma in ogni caso più la figura è incavata più il lavaggio èdifficile.




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Come è evidente anche l‟elettrodo nella lavorazione viene eroso peròscegliendone adeguatamente il materiale e i parametri di processo si arriva aottenere l‟erosione al 99% sul pezzo e per l‟1% soltanto sull‟utensile.

Se si vuole effettuare una figura passante per uno stampo da tranciatura si usal‟elettroerosione a filo.

Il filo avvolto su due bobine, entra attraverso un foro passante e viene applicata unadifferenza di potenziale tra esso e il pezzo in regime pulsato: tra filo e pareti del pezzoscocca un arco elettrico molto „sottile‟. Il filo intanto scorre e gli viene fatto seguire il

profilo da tagliare (utilizzato nella produzione di corone e pignoni a partire da lamiera).Dovendo praticare un piccolo foro nello stampo, si utilizza un elettrodo cavo che

permette di aspirare via lo sfrido.L‟elettroerosione è particolarmente adatta per gli acciai da utensile perché non

prevedendo un contatto utensile pezzo non è influenzata dalla durezza dei pezzi, che inquesto caso è particolarmente elevata e quindi rende le lavorazioni per asportazione ditruciolo tradizionali praticamente impossibili.Se la velocità di passata è alta si avrà una corrente molto elevata e una frequenza diimpulsi alta (regime adatto a lavorazioni di sgrossatura), mentre i regimi opposti sono

indicati per la finitura dello stampo.Alla fine dell‟elettroerosione è necessario effettuare una lappatura poiché sotto la zonaelettroerosa vi è una zona termicamente alterata.

zona fusionata (1)

zona termicamente alterata

(2)

zona rinvenuta (3)

zona inalterata

Per assicurare la durezza ottimale dello stampo devo lappare le zone 1 2 e 3, se invecerimuovo solo la zona 1 la zona 2 è molto dura ma non essendo rinvenuta resiste 1/10rispetto alle sue possibilità.

La lappatura è un procedimento di lavorazione meccanica consistente nell‟effettuareun‟operazione di abrasione, vale a dire di asporto di materiale, su pezzi metallici e non,di ogni tipo.Come mezzo meccanico per l‟abrasione si utilizzano diversi abrasivi, quali:diamante, ossido di alluminio, ossido di cerio, carburo di silicio, carburo di boro,etc ...

Una delle caratteristiche fondamentali della lappatura è l‟utilizzo di questi abrasivi inun mezzo chimico (legante), in forma liquida o in pasta, per conservare le particelledi abrasivo libero. Il legante abrasivo viene iniettato tra il pezzo e il supporto di

http://it.wikipedia.org/wiki/Lappatura






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lappatura.

Il procedimento di lappatura con „abrasivo libero‟ permette di ottenere duecaratteristiche determinanti per il pezzo lavorato: una rugosità precisa e costante

della superficie lappata, un‟estrema planarità, la geometria del pezzo èdirettamente condizionata dalla geometria del piatto di lappatura. Per garantire le 2caratteristiche di rugosità e planarità: scegliere il giusto abrasivo, il legante e il piatto,in funzione del pezzo da lavorare e in fase di lavorazione non esporre il pezzo atensioni termiche o meccaniche.

In generale, una grande corrente permette una grande asportazione di materiale, cheavvenendo per sublimazione di bolle, produrrà una superficie abbastanza rugosa(quindi ottimo per veloci operazioni di sgrossatura), mentre piccole correnti sonousate per ottenere superfici con bassa rugosità (quindi in operazioni di finitura).La corrente può essere in diretta o inversa a seconda del fenomeno di usura chevoglio avere sull‟elettrodo: con la grafite ad altissima densità e il W si impiegano dinorma correnti in diretta, mentre con il Cu inversa. Va segnalato che le leghe di Cu-W sono facilmente rettificabili perché hanno una durezza molto elevata, costituisconoquindi un alternativa al Cu molto performante, ma costosa.http://it.wikipedia.org/wiki/Elettroerosione

Acciai da utensili

L‟utensile è un elemento di costo determinante per il valore dei pezzi prodotti, ovvero dev‟essereammortizzato (producendo milioni di pezzi con lo stesso stampo, il costo viene ammortizzatomaggiormente rispetto alla produzione di minori quantità di pezzi).In generale gli acciai da utensili si possono dividere in 4 categorie:

1. per lavorazioni a caldo

2.

per lavorazioni a freddo3. rapidi4. per stampi per materie plastiche

Gli acciai della categoria (4) sono essenzialmente gli inox martensitici, di cui già ci siamooccupati; quando però non vi siamo particolari problemi correlati a fenomeni di corrosionevedremo che è possibile usare materiali alternativi. Gli acciai della categoria (1) devono esseretenaci e resistenti alla deformazione plastica a caldo; quelli della categoria (2) devono essereresistenti all‟usura, in particolare devono essere in grado di mantenere inalterato il profilo deglispigoli vivi (il cosiddetto filo dell‟utensile); negli acciai della categoria (3) richiedo inoltre lacapacità di mantenere inalterata la resistenza all‟usura anche a temperature elevate.Gli acciai rapidi vengono utilizzati per gli utensili da taglio (impiegati nelle lavorazioni

meccaniche per asportazione di truciolo); questi materiali sono particolarmente nobili‟ in quantoin essi deve essere conseguito un bassissimo livello di inclusioni, ad esempio attraverso untrattamento ESR (Electro-Slag Remelting). Gli acciai delle categorie (1) e (2) trovano applicazionenegli stampi.Le caratteristiche che li accomunano sono il livello inclusionale, la cura nel trattamento termico e lanecessità di una manutenzione rigenerativa.Gli elementi in lega sono sempre gli stabilizzanti dei carburi come Ti, V, W, Mo, Cr, Mn, Co.I trattamenti termici devono garantire una migliore disposizione dei carburi nella matrice metallicarispetto a quelli di partenza nel „grezzo‟. Avremo così alla fine del TT carburi primari (già

presenti nel grezzo) e secondari (dovuti al TT finale).

http://it.wikipedia.org/wiki/Elettroerosione






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AISI Mezzi temprantiC100KU acqua90MnVCr8KU olioX155CrVMo12-1KU D2 autotempranteX205Cr12KU D3 autotemprante

Si introduce per questi acciai un nuovo metro di valutazione che è lamicrostruttura. Perché? Senza carburi non abbiamo un miglioramentodella resistenza a usura, ne è dunque necessaria una certa percentuale.Però la fase rinforzante è anche sostanzialmente infragilente in quanto è

difficile ottenere buoni livelli di tenacità, tenendo conto del tipo dimatrice. Se essa è composta da martensite rinvenuta partendo daaustenite a grano fine, gli elementi in lega tendono a spostarnel‟eutettoide verso percentuali di C più basse. Ad esempio con l‟1% di Tisi entra nel campo γ + carburi con lo 0.2% di C. Con il 5% di W in lega econ 0.2% di C si raggiunge di nuovo l‟eutettoide. Questi acciai sonodunque di fatto leghe ipereutettoidiche anche con % di C molto basse.http://www.ims.it/ims/ims_spa/cmscontent.nsf/fe51976743c46b3dc1256ac0005 17b9d/3236307f846a74dfc1256db10029a045?OpenDocument

Acciai perlavorazioni a

freddo

Tali acciai sono impiegati in utensili per imbutitura, tranciatura (es. coniatura) edestrusione:

KU individua il fatto che sono acciai da utensile (han limitati tenori di S e P e unamicrostruttura, tipo la disposizione dei carburi primari, opportunamente normata).

Sono tutti acciai ipereutettoidici con un alto grado di resistenza all‟usura (in funzione dellaquantità e qualità dei carburi presenti come faserinforzante).

Nel D2 e il D3 tutto il Cr è usato per i carburi, quindi non hanno caratteristiche similia un inox .

90MnVCr8KU ha un tenore di C più modesto e quindi una resistenza all‟usura minore maè possibile temprarlo in olio.

Il C100KU è al semplice carbonio quindi molto meno prestazionale (usato ad esempio per le falci).Per quanto riguarda i trattamenti termici:

se l‟austenite è sufficientemente ricca di C darà una martensite molto dura e presenterà il

massimo valore di durezza a tutta tempra (maggiore di 60HRC) durante il trattamento di tempra i carburi primari devono passare in soluzione, ma poichénon è possibile andare troppo sopra A3, è necessario ottenere l‟effetto voluto con tempimolto lunghi di permanenza in T che tendenzialmente causano un ingrossamento delgrano austenitico: per impedire ciò si mette in lega il V che dà carburi molto stabilitermicamente favorendo così l‟affinamento del grano e inibendo l‟ingrossamento. E‟ perònecessario che il C sia opportunamente distribuito grazie alla fucinatura tridimensionale(un „impastamento‟ di fucinatura anche in direzioni „inutili‟).

il D2 e il D3 sono critici da temprare soprattutto in inverno poiché sono autotempranti e sei pezzi sono grandi e quindi con una grande capacità termica si verificano grandi sfasamentitra la tempra in superficie e quella a cuore con possibili rotture da tensioni di tempra. Per

questi acciai si consiglia dunque sempre di effettuare un marquenching, cioè effettuando latempra solo dopo aver mantenuto il pezzo completamente austenitizzato per un tempo chene assicuri una temperatura uniforme.

http://www.ims.it/ims/ims_spa/cmscontent.nsf/fe51976743c46b3dc1256ac000517b9d/3236307f846a74dfc1256db10029a045?OpenDocument









167

curva K di inizio formazione dei carburi

α + carburi

1 80 1000

La tempra viene fatta in bagni salini.Poiché però in questo modo avrei 100% bainite, con una conseguente minore durezza, inalternativa al bagno salino si può effettuare una tempra interrotta con mezzo temprante ariasoffiata che causa inoltre un rinvenimento a cuore più o meno importante in funzione dellamassa del pezzo da trattare.Per casi più critici si sceglie un D2 o un D3 dove le tensioni di tempra sono più basse.Il Mf è sotto 0 quindi è consigliabile una tempra sotto 0 per trasformare la massima partedi γ residua e un rinvenimento a basse temperature (200°C) per ottenere uno stressrelieving.In particolare per il D2 la temperatura dalla quale si effettuerà la tempra sarà tra i 1010 e i1040°C, mentre per il D3 tra i 960 e i 980°C.

In ogni caso la temperatura di partenza per la tempra è variabile a seconda delladimensione del pezzo e in genere il D2 e il D3 vengono usati per gli stampi mentre il90MnVCr8KU per punzoni.

Di seguito riportiamo alcuni diagrammi rappresentanti il ciclo termico dei primi 3 acciai espostiin tabella.




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Acciai per lavorazioni a caldo

Essi vengono usati per lavorazioni di deformazioni plastica a caldo delle più svariate leghe e per stampi per colata in forma permanente.La sollecitazione alla quale sono sottoposti è principalmente di fatica di tipo termico(cicli di riscaldamento e raffreddamento alternati).In generale quindi gli stampi richiedono una tenacità elevata e una resistenza all‟usuraimportante; ci aspettiamo dunque dei rinvenimenti ad alte T.

%Cr

%V

% Ni

X37CrMoV5-1KU (H11) altolegato 5

X40CrMoV5-1-1KU (H13) altolegato 5 1

40NiCrMoV16KU autotemprante 4

Sono tutti acciai da bonifica (%C~0,4) e tra i primi due e l‟ultimo cambia latenacità.

Il V è caratteristico in quanto dobbiamo avere un grano molto fine. Inopera il materiale subisce continui cicli di riscaldo-raffreddamento che

portano a fenomeni di coalescenza dei carburi, V blocca questofenomeno dannoso.

Il Cr serve per avere buoni carburi a costi accettabili. Il Mo è l‟altro stabilizzante dei carburi e impedisce la fragilità da

rinvenimento, nella cui zona il materiale passa di continuo (notare che il

riscaldamento è superficiale e non massivo). Il 40NiCrMoV16KU ha un‟elevatissima tenacità mentre l‟H11 e l‟H13

sono più duri. Per stampi in forma permanente per colata di leghe di Al o Mg ricorrerò

all‟H11, che avendo meno C e quindi meno carburi è più tenace mameno resistente all‟usura, mentre per stampi per fucinatura acciaio usol‟H13.

La differenza principale tra questi acciai e quelli per lavorazione afreddo è la % di C: con tenori ridotti (0.4%). Si rischia quindi,considerando la curva CCT, se il raffreddamento non è sufficientementerapido, di avere carburi che segregano preferibilmente a bordo grano

perché per quelle velocità di raffreddamento la velocità di nucleazione èridotta. Questo fenomeno è altamente indesiderato perché non possoevidenziarlo con una prova di durezza ma solo con un test a fatica,oppure una prova metallografica distruttiva che possono evidenziare lasegregazione dei carburi a bordo grano con la conseguente forte fragilità.Per questo tanto più lo stampo è grande tanto più dovròtemprare con un mezzo sufficientemente energico.

Vi sono poi acciai non unificati, uno tra i più importanti dei quali ha la seguentecomposizione: C = 0.4%, Cr = 2.6%, Mo = 2.2 % V = 0.9%; in questo caso

assistiamo alla sostituzione di parte del Cr con il Mo, elemento che formacarburi di stabilità maggiore a quella dei carburi di Cr.Gli acciai indicati sono delicati‟ da trattare termicamente. Una volta preparatolo stampo per elettroerosione ed asportata la zona compromessa, devo




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bonificare lo stampo avendo la massima cura di non degradare la superficie. Ilmateriale, in conseguenza degli elevati tenori di Cr, Mo e V, è essenzialmenteautotemprante; tutto il ciclo termico deve essere di conseguenza progettato perridurre al minimo le deformazioni di tempra. Si opera in forni sotto vuoto: dopoil riscaldamento di austenitizzazione faccio entrare il materiale in una camera ditrattamento con un gas inerte

Il forno di riscaldamento lavora sempre sotto vuoto; il gas sotto pressione è unmezzo temprante molto più energico dell‟aria calma, con in più il vantaggio diessere un gas inerte (si usa N2 o più raramente He, per via del costo 10 voltemaggiore).Poiché si parla di pezzi molto grandi, a valle del processo si può solo fare una

prova di durezza ma non è possibile verificare se il raffreddamento non è statosufficientemente veloce (non si vede la precipitazione dei carburi a bordo grano,che peggiorano la resistenza a fatica termica).E‟ quindi importante anche il disegno del pezzo per evitare che ci siano zone

che si raffreddano più lentamente di altre.

Una normale conseguenza di questo trattamento è ɤR mentre per garantire la

massima tenacità occorre proprio decomporre ɤR , perciò dopo il primorinvenimento, ri-attraverso Ms (al raffreddamento) ottenendo martensite

rinvenuta e si fa un secondo rinvenimento per la martensite prodotta da ɤR

Decomposizione di ɤR

Tempra criogenica (rinvenimento a bassa T) → Inox-mart, viti a sfere,cuscinetti

Rinvenimento multiplo (rinvenimento ad alta T) → Stampi, acciai rapidi

Un modo di procedere alternativo potrebbe essere il seguente: immetto i pezzida riscaldare in un primo bagno salino e poi li trasferisco in un secondo bagnoin cui opero una tempra attenuata. Per gli acciai indicati le curve di Bain sonomolto spostate verso destra, si ha un ben individuabile Bs e di norma Ms si

sovrappone al campo della bainite; si hanno poi i nasi della trasformazione perlitica e della trasformazione austenite ferrite

curva K di inizio

T formazione dei carburi

Ms




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log t

Nel diagramma si può indicare una curva K, detta curva dei carburi, indicantegli istanti di inizio della nucleazione dei carburi. In conseguenza di un lentoraffreddamento si formano pochi carburi e tutti a bordo grano (interseco K adalte T); con un raffreddamento più veloce (incrocio K a basse T) la velocità dinucleazione dei carburi è superiore: i carburi che si otterranno sono di piccoledimensioni ed uniformemente distribuiti. La drasticità del mezzo tempranteinfluenza quindi il tipo di precipitazione dei carburi: per raffreddamento in ariacalma o gas si avranno carburi solo a bordo grano, mentre se raffreddiamo in un

bagno salino i carburi saranno finemente dispersi.La seconda parte del raffreddamento è meno significativa poiché il naso dellatrasformazione perlitica, così come quello della trasformazione bainitica, èmolto spostato verso destra.

Negli acciai per utensili il rafforzamento è indotto dalla presenza dei carburi. Se

ho dei cristalli di austenite con un reticolato di carburi a bordo grano la matriceche ottengo dopo tempra presenta una disposizione preferenziale dei carburi; inconseguenza di ciò il materiale è infragilito nella zona di precipitazione deicarburi. Con raffreddamento rapido i carburi precipitano uniformementeevitando questo effetto; fondamentale è in questo senso il V: esso aiuta nelladispersione uniforme dei carburi poiché è un grande affinante del granoaustenitico. La prima parte del raffreddamento è operata in un bagno salino perconseguire elevate velocità di raffreddamento, poi, dopo avere intersecato lacurva K, posso operare in aria (o in olio caldo ma solo se il pezzo è di formanon eccessivamente complessa).Di norma Mf si colloca in prossimità della temperatura ambiente per cui anche

in questo caso si presenterà il problema dell‟austenite residua; essa verràdecomposta con un secondo rinvenimento.Essendo il materiale molto ricco di C le temperature di riscaldamento devonoessere superiori a quelle di austenitizzazione, a circa 1000°C. Sono necessarie

pertanto almeno due tappe di preriscaldo, anche perché il pezzo è a mediotenore di Cr. Se riscaldo a 1020°C al termine della permanenza in temperatura siottiene un‟austenite più ricca di C e quindi, dopo tempra, una martensite piùdura; il contenuto di austenite residua sarà maggiore e di conseguenza si avrà unmaggiore rischio di rotture di tempra. Se la temperatura di austenitizzazione èrelativamente bassa i carburi stentano a passare in soluzione nell‟austenite, nederiva una durezza inferiore ed un minore tenore di austenite residua.




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Si consideri il diagramma di rinvenimento seguente

HRC

1020°C

980°C

500°C T

A temperature di rinvenimento basse la durezza non varia di molto (40-45 HRC);

successivamente ho un picco a temperature di rinvenimento differenti a seconda dellatemperatura di preriscaldo. Se questa è stata ad esempio di 980°C il picco si ha atemperature inferiori a quelle del picco relative alla curva facente riferimento al

preriscaldo a 1020°C: in questo caso infatti la quantità di austenite residua è inferiore.L‟austenite residua in parte si trasforma nel corso del riscaldamento in bainite,ma la maggior parte si trasforma nel corso del raffreddamento dopo il primorinvenimento. A volte non ci si arresta a due rinvenimenti: in certi casi si puòarrivare anche a 5 rinvenimenti consecutivi. Come posso far conseguire al materialeun‟elevata resistenza alla fatica termica? inducendo uno stato di compressionesuperficiale, ad esempio mediante un opportuno trattamento. L‟acciaio che stiamoconsiderando è essenzialmente un acciaio da bonifica legato con Cr, Mo e V:

possiamo quindi pensare di operare una nitrurazione dello stampo. Si è detto in precedenza che è necessario operare due rinvenimenti, il secondo dei quali mira a farrinvenire la martensite prodotta nel raffreddamento successivo al primo. Si può

pensare di operare il secondo rinvenimento, invece che a 600°C, a 500°C,ovviamente per un tempo maggiore, accompagnandolo con una nitrurazione. Altra

possibilità è di operare a 570°C e realizzare una nitrurazione morbida .Le tre alternativesono percorribili a seconda del tipo di stampo: se ho uno stampo massiccio con unafigura semplice è sufficiente il doppio rinvenimento e non è necessario ricorrere adalcuna nitrurazione; se ho una matrice di estrusione si rende necessaria lanitrurazione per far conseguire allo stampo un‟elevata resistenza ad usura; se houno stampo per la pressocolata dell‟Al opero una nitrurazione morbida (in gas perconseguire uno strato compatto) per ridurre l‟aderenza stampo-Al liquido.Gli stampi hanno una durata di decine di migliaia di pezzi prodotti; si renderannoquindi necessari degli interventi manutentivi. Lo stato di compressione superficiale èdettato dal trattamento finale, ma in servizio, a causa del fatto che lo stampo lavoraa temperature elevate per tempi prolungati, esso si modifica e può anche scomparire.A metà vita dello stampo si dovrà di conseguenza operare un trattamento dimanutenzione, di nitrurazione o di nitrurazione morbida.




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AISI W Mo V Co Cr C

T1 HS 18 0 1 4 0.78 HS 1801M2 HS 6 5 2 4 0.87 HS 652M3 HS 6 5 3 4 1.06 HS 653T4 HS 18 1 1 5 4 0.85 HS 18115

Acciai rapidi

Progettati appositamente per processi che lavorano ad alte velocità di taglio, dunque sarannorichiesti elevati valori di durezza insieme ad una buona tenacità necessaria per resistere agli urtisubiti dall‟utensile durante la fase di taglio.

Le nostre richieste saranno soddisfatte da una matrice martensitica rinvenuta insieme ad un elevatonumero di carburi secondari dispersi omogeneamente.

Osservando il tenore di C si può notare che si tratta di acciai

ipereutettoidici (tutti gli elementi di lega spostano l‟eutettoide a valori più bassi di C) formati da martensite e carburi che possono accumularsia bordo grano se l‟acciaio non viene adeguatamente fucinato.

L‟acciaio rapido ha un costo elevato perché è alto il tenore di elementi inlega: il Mo è circa due volte più efficace del W per quanto riguarda ilmiglioramento della lega (si dice che Mo è vicariante di W)

Nel T1 si mettono insieme solo W e V; le prestazioni sono assicuratedalla formazione di WC, mentre V serve come affinante di grano.

L‟M2 è l‟acciaio rapido per eccellenza con una tenacità buona. I carburi aumentano la durezza e la fragilità ma aumentando il C la

tenacità diminuisce ulteriormente, allora impiego alti tenori di Mo cheassociato al V affinano il grano austenitico. Se dunque mi servono acciairapidi per utensili ad accettabile tenacità e maggiore resistenza a usurauso l‟M3, mentre per brocce ad esempio uso l‟M2.

Il T4 è un acciaio super-rapido (per altissime velocità di tagliodell‟ordine dei 40m/s). Il Co ha un effetto ancora da approfondire masecondo alcune teorie è stabilizzante dei carburi (limita l‟ingrossamentodel grano austenitico) e austenitizzante. E‟ stato sviluppato per l‟uso conmacchine a controllo numerico.

Una curiosità sugli acciai da coltelli è che hanno lo 0.10% di S per poterli affilare più facilmente.

Gli acciai rapidi possono sostituire con migliori prestazioni gli acciai perlavorazioni a freddo, in quanto hanno miglior resistenza ad usura edanche miglior tenacità (purtroppo sono più costosi)




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Per quanto riguarda l‟effetto di Co, probabilmente la maggiore tolleranza dellalega alle alte velocità di taglio è dovuta alla sua azione austenitizzante, che

provocherebbe un rafforzamento superficiale dovuto a trasformazionimicrostrutturali, nella fattispecie dei geminati (nano cristalli di martensitespecularmente uguali, che impediscono il moto delle dislocazioni). Tale

trasformazione sarebbe indotta tramite uno sforzo meccanico.In generale tutti gli acciai rapidi più prestazionali sono stati ottenutiaggiungendo Co in lega. Il limite di questa famiglia di acciai è costituito dalladisposizione dei carburi primari, e occorre perciò operare una fucinatura chefrantumi e disperda questi carburi.

HRC

Dissoluzione dei carburi

ɤR

Tɤ

= 1200°C

http://en.wikipedia.org/wiki/High_speed_steel

Trattamenti

termici per

acciai rapidi

Un acciaio ricotto ha una struttura con matrice ferritica e carburi segregati, ma per poter portare in soluzione una parte significativa dei carburi per temprare, siriscalda prima della tempra a ben 1200°C. Da questa temperatura però ,se ilmezzo temprante non è drastico come un bagno salino, si induce la formazionedi troppo pochi carburi secondari (quindi grossolani).Gli acciai rapidi si rinvengono a 600°C. In particolare si vuole evitare che gliutensili da taglio rinvengano in opera.

Il Ms si abbassa ed è intollerabile avere dell‟austenite residua perché sitrasforma molto facilmente in opera in martensite e si scheggia il filodell‟utensile. Quindi la % di austenite residua deve essere tenuta bassissima equesto è possibile effettuando una serie di rinvenimenti ripetuti finché ledeformazioni dovute alla trasformazione della martensite non diventanominime.







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Che cosa succede durante il rinvenimento? A

HRC risultante

carburi

matrice

austenite residua

200

rinvenimento della martensite (matrice) precipitazione secondaria dei carburi (rinforzante) decomposizione dell‟austenite residua (matrice)

T rinvenimento

In A si ha il picco di durezza e si può osservare come ad alte temperature dirinvenimento la durezza aumenti (fenomeno della durezza secondaria).Anche la temperatura di tempra influisce sul rinvenimento: a 1200°C ho unadurezza iniziale maggiore ma con durezza secondaria minore perché performare carburi serve più C disciolto, mentre a 1250 c‟è più C disciolto maanche più austenite residua e di conseguenza una maggior deformazione.Dal punto di vista teorico è più vantaggioso temprare da temperature più alte

perché si ha una durezza maggiore, ma con tanta austenite residua è anchemaggiore lo shock termico e si ha una maggiore deformazione degli utensili. Inquesta ottica rinuncio a qualche punto di durezza per contenere le deformazionidi tempra.Il Co sposta verso destra il decadimento della curva di durezza.

Quello che avviene con i rinvenimenti multipli è: Primo rinvenimento

Secondo rinvenimento

Martensite → α + carburi

ɤR → Martensite*

Martensite* → α + carburi

ɤR → Martensite**

e così via. E‟ possibile arrivare a 5 rinvenimenti consecutivi per decomporre

tutta ɤR

Per accertarsi del successo del procedimento, basta fare un‟analisi dimensionale.




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C Cr Mo W V Coa 1.28 4.2 5 6.4 3.1 -b 1.28 4.2 5 6.4 3.1 8.5c 2.30 4.2 7 6.5 6.5 10.5

Acciai rapidi da

polveri

Essi sono leghe compatte molto prestazionali ottenute attraverso un processo disinterizzazione a caldo sotto pressione (HIP). L‟alto livello delle prestazioni èdovuto al fatto che questo processo permette di ottenere un grado di dispersionedel rinforzante indipendente dalle leggi di solidificazione.L‟acciaio a è simile all‟M3 ma con più C perché nell‟acciaio rapido bisognatenere in conto l‟effetto infragilente dei carburi che è tanto più importantequanto più essi sono disposti irregolarmente e tanto più sono grandi; ma partireda polveri assicura una dispersione ottimale e quindi si può aumentare il tenoredi C ottenendo materiali con tenacità analoga ai compatti e durezza e resistenzaall‟usura decisamente superiori.

L‟HIP (High idrostatic pressure) permette di raggiungere una densificazione prossima a quella teorica ed è possibile usarla per produrre direttamentecomponenti pur entro certi limiti dimensionali massimi dei pezzi prodotti.Il b (simile a un super-rapido) ha Co che migliora le prestazioni dell‟utensile adalte velocità di taglio e per la metallurgia delle polveri è un coadiuvante del

processo di sinterizzazione.Il c ha il massimo tenore di carburi, minor tenacità e maggiore resistenzaall‟usura. Ha prestazioni simili a un acciaio da lavorazioni a freddo e quindi puòessere usato con straordinari risultati per piccoli stampi da tranciatura.

Vantaggio non da poco degli acciai da polveri è la temperatura di discioglimento

dei carburi primari a T inferiori di 50°C circa rispetto ad acciai rapiditradizionali, questo grazie alle minori dimensioni insieme ad un‟ottimale

dispersione nella matrice; ciò ci permette di limitare gli shock termici e di




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tagliare la curva K a temperature inferiori. I principali limiti degli acciai rapidi da polveri sono le dimensioni, poiché vengono prodotti tramite HIP, pezzi didimensioni eccessive non garantirebbero una densità omogenea, portando allaformazione di gradienti di densità che comporteranno fragilità nel pezzo, con la

possibilità di compromettere addirittura tutto il processo di sinterizzazione.

http://it.wikibooks.org/wiki/Metallurgia_delle_polveri

http://www.ing.unitn.it/~colombo/Alluminio_e_leghe_di_alluminio_in_campo_aeronauticoaerospaziale/Leghe_Al_html/polveri.htm

Trattamenti termici per acciai rapidi da polveri

Questi acciai risolvono in parte il problema degli acciai rapidi riguardo allatemperatura dalla quale temprare poiché data la maggiore superficie di contatto

tra matrice e carburi si tempra da 1150°C realizzando un minor shock termico ediminuendo quindi le deformazioni. Il prezzo è però il quintuplicare i costi acausa della metodologia di produzione (l‟HIP è molto costoso e i tempi di

processo molto lunghi).

Acciai da utensili innovativi

Ormai molti acciai usati per gli utensili sono color oro poiché ricoperti di nitrurodi Ti (con la tecnica PVD) o carburo di Ti raggiungendo durezze incomparabili.La vera rivoluzione consiste nel ricoprire gli utensili poiché questo procedimentone moltiplica anche di cinque volte la vita.

Altri acciai Acciai per valvole

Consideriamo le valvole per motori a combustione interna; distinguiamo levalvole di aspirazione (attraverso le quali aspiro nella camera di scoppio lamiscela aria-combustibile) dalle valvole di scarico (dalle quali fuoriescono i gascaldi prodotti dalla combustione del carburante). Chiaramente la valvole discarico sono quelle più sollecitate. Le valvole in questione devono fare perfettatenuta sulla loro sede e pertanto devono presentare un‟elevata resistenzaall‟ossidazione a caldo ed un‟elevata resistenza meccanica ad alta temperatura.

Non vi devono essere fenomeni di rinvenimento in opera: essi causerebberoinfatti una deformazione della valvola e conseguentemente una perdita dellatenuta della medesima. La valvola deve presentare inoltre una grande resistenzaall‟usura ed una grande resilienza: deve essere infatti in grado di fronteggiare ifenomeni conseguenti allo strisciamento dello stelo ed all‟impatto sulla suasede.Materiali che soddisfano a queste richieste sono certamente gli acciai da

bonifica con una certa quantità di Cr; rimane però un problema da affrontare, ecioè il rinvenimento in opera, tanto più importante quanto più la valvola èsollecitata. L‟elemento legante che deve essere utilizzato per fronteggiare questo

problema è il Si (in tenori tra il 2-4 %). L‟azione del Si si esplica in due modi

differenti: il Si è avido di O2 e quindi è in grado di migliorare la resistenzaall‟ossidazione a caldo grazie alla formazione di strati passivanti molto aderenti(ed importante è l‟aderenza in questa applicazione poiché nel combustibile vi












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sono tracce di V ed alla miscela si aggiunge come antidetonante del Pbtetraetile; quest‟ultimo dà vita ad ossidi che riducono la resistenza allacorrosione a secco); il Si è inoltre uno stabilizzante del carburo (o, detto inaltri termini, ne riduce al metastabilità termodinamica): ciò comporta il bloccodei fenomeni di rinvenimento.

Nelle valvole di ingresso vengono utilizzati acciai da bonifica aventi unacomposizione all‟incirca di questo tipo: 0.4-0.5% C, 4% Si, 3% Cr. Nelle valvoledi scarico si usano acciai inox martensitici (0.4% C, 17% Cr, 2%Si).La caratteristica del Si che abbiamo descritto in precedenza si utilizza anche inun‟altra categoria di acciai: gli acciai per molle. Il più importante acciaio permolle è il 48 Si 7 (0.48% C, 7-8% Si). Grazie alla presenza del Si l‟acciaio nonsubisce fenomeni di rinvenimento e quindi di deformazione plastica a trazione (siottiene cioè un elevato carico elastico che è esattamente ciò che viene richiesto inuna molla).

Acciai strutturali ad alta resistenza

Sono leghe non unificate aventi la seguente composizione chimica: C < 0.03%, Ni = 18%, Mo = 4%, Co = 9%, Al = 0.1%, Ti = 1%. Il tenore di elementi di legaè palesemente elevatissimo, ma modesta è la percentuale di C. In conseguenzadi ciò la profondità di tempra sarà elevatissima, ma la martensite corrispondenteavrà una modesta durezza. Come negli acciai inossidabili indurenti per

precipitazione realizzo una tempra non di durezza e la faccio seguire da untrattamento di rinvenimento (si parla di acciai Mar-aging , cioè ottenuti perinvecchiamento della martensite). La resistenza meccanica conseguente a questodosaggio di elementi di lega è superiore ai 2000 MPa. Dopo la tempra non siavranno particolari tensioni di tempra poiché la martensite ottenuta contiene

poco C. Durante l‟invecchiamento si realizzerà quindi il rafforzamento delmateriale (per precipitazione di composti intermetallici tipo Ni3(Ti, Al)), senzasignificative deformazioni. Materiali di questo tipo verranno utilizzati in tuttequelle occasioni in cui temo che le deformazioni conseguenti alla tempra sianoincontrollabili. Il costo di acciai di questo tipo è comunque estremamenteelevato.

Acciai per cuscinetti volventi

Nei cuscinetti volventi le caratteristiche fondamentali che devono essere conseguite

sono la resistenza all‟usura e la stabilità dimensionale in trattamento termico. Si usano aquesto proposito acciai a basso tenore di elementi di lega in cui si impartisceun‟elevata resistenza all‟usura attraverso la formazione di carburi. Un acciaio tipicoin questo senso è il 100 Cr 6 (1% C, 1.5% Cr). Altre caratteristiche che l‟acciaio deve

presentare sono un elevato carico elastico (un cuscinetto non deve deformarsi inservizio) ed una considerevole resistenza all‟urto.

Nell‟acciaio 100 Cr 6 prevedo un indurimento per bonifica; essendo in questo caso iltenore di C molto elevato Mf si collocherà a circa 0°C, quindi al di sotto dellatemperatura raggiungibile con i normali mezzi tempranti. Conseguenza di ciò è che ilmateriale è sensibile ai fenomeni derivanti dall‟austenite residua; la cosa è oltremodoindesiderata poiché una delle conseguenze della presenza di austenite residua è che il

pezzo non è stabile dimensionalmente in opera. Nel trattamento termico devotemprare in olio caldo (per ridurre lo shock termico); la tempra deve essererapidamente seguita da un trattamento di tempra sotto zero‟: rapidamente devo




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passare dal bagno di tempra in olio ad un ambiente refrigerato sotto zero perchél‟austenite residua si trasformi in martensite. Con un raffreddamento rapido latrasformazione sarà consistente, altrimenti incorrerei in fenomeni di stabilizzazionedell‟austenite residua. Altro problema da considerare è il seguente: se la gabbia delcuscinetto cadesse in verticale nel bagno di tempra la trasformazione sarebbe sfalsatatra la zona che impatta per prima e quella che impatta in un secondo momento (in

conseguenza di ciò il pezzo subirebbe delle deformazioni). Devo quindi far entrare ilcuscinetto in orizzontale nel bagno.Dopo l‟operazione di tempra segue la fase di rinvenimento; durante questaoperazione mi interessa preservare nel pezzo la resistenza all‟usura. La temperaturadi rinvenimento è di circa 200°C.L‟unico limite all‟impiego di questo acciaio è la sua temprabilità: per avere in tutta lasezione un‟elevata resistenza meccanica lo spessore del pezzo non deve esseresuperiore a 35 mm. Nel caso in cui il cuscinetto presenti spessori superiori l‟acciaio dautilizzare è il 100 Cr Mo 7, dove il Mo migliora la temprabilità del materiale.

Acciai nella coltelleriahttp://www.lalama.eu/page.html?id=1

http://www.lalama.eu/page.html?id=1





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Acciai Hadfield

E‟ il cosiddetto acciaio per casseforti (%C = 1,2 e %Mn = 13%) ed è definitointrapanabile. Viene temprato sopra i 1000°C in modo che i molti carburi diMn vadano in soluzione, ottenendo una struttura completamente austenitica e

molto resistente (grazie all‟alta %C).Questa lega, sotto l‟azione deformante di un trapano (ad esempio), subisce una

trasformazione locale ɤR → Martensite, in pratica se aumenta ladeformazione, aumenta anche la sua resistenza. Inoltre essendo il materialecompletamente austenitico, rimane straordinariamente resistente agli urti.E‟ un acciaio facilmente saldabile.

Non viene solo utilizzato per le casseforti, ma anche per i cilindri e le paledei mulini.

L‟effetto di Mn viene sfruttato anche nella realizzazione delle rotaie da

ferrovie, in cui vengono usati acciai da bonifica addizionati con 1,5%Mn, perfar favorire i fenomeni di incrudimento, e migliorare la resistenza a usura.

COATINGS

Sono rivestimenti tramite Plasma Deposition di Ti4 N, WC, TiC, SiC, Al2O3,… sulla superficie delmetallo. Questo strato ceramico prolunga la vita dell‟utensile in modo impensabile con itradizionali trattamenti superficiali.

LUCIDABILITA’ Per ottenere una superficie lucida (a specchio), tramite lappatura sono richiesti:

- Elevata durezza superficiale- Modesto contenuto inclusionale- Pulizia superficiale

Un materiale che si presta molto bene a questa lavorazione è l‟AISI440, un inox-martensiticocon alta %C.



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Ef fetti degli elementi di l ega negli Acciai.

CCon l'aumento del tenore di carbonio, le caratteristiche tensili e la temprabilità dell'acciaio aumentano, ma

la sua duttilità, lavorabilità, saldabilità vengono diminuiti. E’ un forte austenitizzante, in conseguenza allospostamento verso dx delle curve CCT.

NE’ austenitizzante, e in base alla % influenza la durezza dei nitruri superficiali precipitati post trattamento

superficiale di nitrurazione. Presente in lega negli acciai duplex e superduplex.

MnSempre presente, proviene dai minerali di lavorazione. Aumenta temprabilità ed è un austenitizzante. A

parità di res. a trazione aumenta la tenacità. Favorisce fenomeni di rafforzamento per incrudimento (acciai

hadfield) . La sua presenza in fonderia è utile in quanto ha anche proprietà disossidanti.

NiE’ un forte austenitizzante, in base alla % influenza la possibilità di Austenite residua. Aumenta la

temprabilità diminuendo la velocità critica minima e permette di temprare con mezzi meno drastici. A parità

di res. a trazione aumenta la tenacità (non ha un effetto negativo su KV). Non peggiora deformabilità a caldo

o a freddo.

CrAumenta la temprabilità abbassando la v critica inferiore; forma carburi stabili o metastabili (dipende dalle T

di rinvenimento, basse T rinvenimento = metastabili, alte T rinvenimento + raffreddamenti lenti = carburimaggiormente stabili). E’ un forte alfogeno (ferritizzante, vedi acciai inox) ed è sostituzionale, non

interstiziale ; se segrega carburi metastabili causa fragilità da rinvenimento. Contrasta corrosione per %

maggiori del 17%.

MoAumenta la temprabilità, crea carburi prestazionali e stabili con effetti indurenti più marcati del Cr, mitiga la

fragilità da rinvenimento (nel caso sia presente..) . Insieme al W viene usato negli acciai rapidi poiché

stabilizza la martensite ad alte T, anche se ha un’efficacia pari al doppio rispetto il W. E’ un medio affinante

di grano austenitico grazie alla precipitazione dei carburi, che controllano la crescita del grano austenitico.

WAumenta fortemente la temprabilità quasi quanto il Ni, con effetti superiori al Mo e al Cr; ha un notevole

effetto indurente grazie ai carburi WC molto prestazionali e stabili, senza ridurre la tenacità. Aumenta la

stabilità della Martensite ad alte T, quindi è obbligatorio per acciai rapidi, funziona bene insieme al Mo.

VGrande affinante del grano austenitico grazie alla precipitazione di carburi stabili che bloccano

l’ingrossamento del grano. E’ uno stabilizzante dei carburi e crea carburi altamente prestazionali e alto

fondenti, creando carburi sottrae C alla matrice, diminuendo indirettamente la temprabilità.



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SiE’ un forte ferritizzante e disossidante, stabilizza i carburi metastabili e di conseguenza blocca la loro

decomposizione in rinvenimento, cio’ comporta un prezzo da pagare in termini di duttilità ma otteniamo

caratteristiche tensili molto elevate. Piccole percentuali di Si sono presenti in tutte le leghe ferrose essendo

usato nelle operazioni disossidanti di calmaggio.

Ti & NbGeneralmente hanno un effetto affinante del grano austenitico e formano carburi altamente prestazionali.

Negli acciai inox evitano la precipitazione di carburi di Cr poiché hanno maggior affinità col C, cio’ evita i

fenomeni di sensibilizzazione ai BDG.

AlTipico degli acciai da nitrurazione, è un ferritizzante e ostacola l’ingrossamento della ferrite, stabilizza i nitruri

e aumenta notevolmente la durezza superficiale post-nitrurazione. Tuttavia ha un effetto distorcente nella

matrice che si traduce in una diminuzione della tenacità. (cfc in ccc)

S&PElementi presenti in tutti gli acciai, fungono da indicatori della qualità del l’acciaio poiché sono impurità che

degradano le caratteristiche prestazionali dell’acciaio. Solo nel caso degli acciai automatici vengono aggiunti

in quantità superiori ai limiti per essere lavorati ad altissime velocità di taglio.

CoE’ un austenitizzante usato principalmente negli acciai da utensili che lavorano ad alte velocità di taglio; si

crede (anche se degli studi sono ancora in corso) che abbia un effetto rafforzante superficiale tramite

processi di geminazione della martensite.

PbNon è solubile negli acciai, ma è bassofondente è viene aggiunto per creare segregazioni che aumentano

enormemente la lavorabilità.



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187

GHISE http://it.wikipedia.org/wiki/Ghisa

Caratteristiche Le ghise sono leghe Fe-C con un tenore di C superiore a circa il 2%, che trovanoapplicazioni come leghe fondamentalmente da fonderia.Devono possedere due caratteristiche fondamentali:

1) Temperatura di fusione più bassa possibile, per facilitarne la fusione nelforno di seconda fusione (cubilotto)

2) Intervallo di solidificazione più ristretto possibile, altrimenti si genera ilfenomeno di solidificazione dendritica il quale porta ad unamicrostruttura che peggiora le caratteristiche della ghisa.

3)

Devono possedere un basso coefficiente di ritiro

4) Una scarsa affinità con l‟ossigeno per evitare fenomeni ossidativi

eccessivi, se ciò non è possibile si dovrà agire sul bagno di fusione perevitarne l‟ossidazione

5) Una scarsa reattività con la forma.

Esaminiamo ora i fenomeni che si hanno alla solidificazione di un bagno di ghisadal punto di vista della struttura che si ottiene. Dal diagramma di stato possoosservare come dal liquido solidifichi inizialmente austenite (la ghisa è infatti

ipoeutettica). Se la ghisa è colata in uno stampo ed assumo il flusso di caloremonodimensionale ed ortogonale alla parete della forma, il profilo di temperaturanel liquido assume il seguente andamento

Profilo di temperatura

Flusso di

calorestampo liquido

http://it.wikipedia.org/wiki/Ghisa





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Sulla parete dello stampo inizia a formarsi una certa quantità di solido; latrasformazione liquidosolido comporta una trasformazione di tipoentalpico: deve essere asportata dal sistema una quantità di calore pari alcalore latente di solidificazione. Questo calore è prodotto all‟interfacciasolido-liquido. Avendo il solido ed il liquido diverse conducibilitàtermiche si instaura nel bagno un certo gradiente di temperatura


stampo solido liquido

Al procedere della solidificazione l‟interfaccia si sposta verso l‟interno del bagno;si ha un incremento locale di temperatura dove si ha l‟effetto riscaldante dovuto

alla cessione di calore. L‟interfaccia può trovare, nel suo avanzamento, un liquidoa temperatura più elevata: in questo caso il moto subisce un rallentamento perchéminore è il sottoraffreddamento; se si realizza invece uno spostamento localizzatodell‟interfaccia allora essa può trovare un liquido a temperatura inferiore, edessendo il sottoraffreddamento maggiore, il solido può avanzare.





189

Se quanto accaduto in un unico punto ha luogo in più zone dell‟interfaccia, il fenomeno può divenire bidirezionale: nelle zone del solido in cui la temperatura è maggiore di quelladel bagno metallico si formeranno rami‟ secondari e così via (è la temperatura adeterminare il profilo dell‟interfaccia)


Il fenomeno può chiaramente avvenire in tutte e tre le dimensioni dello spazio e portaad una particolarissima struttura, detta struttura dendritica. In conseguenza delfenomeno descritto potranno esserci delle frazioni di liquido intrappolate‟ nelle zonevicine alla parete ed alla solidificazione esse daranno origine a solidi di composizionedifferente da quella del primo solido segregato (microsegregazione).

Al fenomeno della solidificazione nei getti si accoppia quello del ritiro volumetrico, ilquale origina tensioni e quindi l‟instabilità dimensionale del getto stesso. Nella ghisa però

c‟è la grafite che contrasta tale fenomeno espandendosi e limitando il ritiro complessivodrasticamente.Soluzione a tutti i problemi sarebbe utilizzare come lega da fonderia una ghisa concomposizione eutettica (4,3%C) che ha la minima temperatura di fusione,purtroppootterrei il 20% in volume di grafite e quindi la resistenza meccanica del materiale

peggiorerebbe significativamente.

È quindi necessario escogitare un‟alternativa. In questo compito ci viene in aiuto un altroelemento di lega simile al C, ovvero il Si, che dà origine al carbonio equivalente nellaforma:

Solitamente si utilizza

Ceq. = %C + ⅓%Si

Ceq= 3%C +⅓ (%2SI) = 3,7Che darebbe origine a grafite interdendritica.

Il Si dà cioè un contributo che è paragonabile a quello del C (1 parte di Si 0.33 parti diC). Posso quindi avere un 4.3% di C (e quindi il minore intervallo di solidificazione

possibile), avendo decurtato la percentuale di C, attraverso l‟aggiunta di un‟opportuna

quantità di Si.Il silicio è grafitizzante, in quanto entra in soluzione solida nella ferrite provocando „l‟espulsione‟ del C.



190

Il tenore di grafite a cui si tende è circa il 10% in volume, quindi il contenuto di grafite si èridotto in modo da non deprimere eccessivamente le caratteristiche meccaniche del getto.

Analizziamo ora la struttura della grafite nella ghisa, la quale influenzaenormemente le caratteristiche principali della ghisa stessa. Possiamo classificarediverse forme e distribuzioni della grafite:

Distinguiamo tra 6 diverse forme caratteristiche :

a) Lamelle sottili con punte aguzze b) Noduli con accentuate ramificazioni di lamellec) Lamelle spesse con punte arrotondated) Flocculi frastagliatie) Flocculi compattif) Noduli a contorno regolare pressoché circolare (sferoidi)



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L‟immagine sovrastante invece rappresenta le tipiche distribuzioni della grafite, se

ne distinguono principalmente cinque :a) lamelle sottili distribuite uniformemente senza orientamento preferenziale;

b) Lamelle raggruppate in rosette senza orientamento preferenziale; risultatodi una inoculazione insufficiente.

c) Lamelle spesse e diritte senza orientamento preferenziale, raggruppatenelle zone interdendritiche; tipica di una ghisa ipereutettica autoinoculante.

d) Lamelle molto piccole senza orientamento preferenziale, raggruppate nellezone interdendritiche; causata da basse velocità di raffreddamento.

e) Lamelle piccole con orientamento preferenziale, raggruppate nelle zoneinterdendritiche, tipica di alte velocità di raffreddamento.

Il problema adesso è comprendere quale struttura è adatta a quale tipo diapplicazione, e cosa implicano le diverse strutture sulle caratteristiche meccaniche

della ghisa.La grafite tende spontaneamente a segregare in lamelle grafitiche nelle zoneinterdendritiche durante il raffreddamento del liquido, tale microstruttura è daevitare, poiché le lamelle così distribuite causano spiacevoli effetti di intaglio nellastruttura cristallina della ghisa, portando ad un crollo della performance delmateriale; è da preferire invece una distribuzione casuale delle lamelle grafitichecon una buona omogeneità nella distribuzione, al fine di limitare gli effetti diintaglio.A questo punto, tenendo in mente ciò che è stato appena detto, è preferenzialeavere della grafite lamellare con una distribuzione di tipo A.



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E‟ possibile avere un controllo diretto sulla microstruttura delle ghise per evitare

spiacevoli effetti infragilenti?La microstruttura più ambita sarà sicuramente una contenente grafite sferoidale(figura f), la quale presenta per l‟appunto sferoidi grafitici distribuiti

omogeneamente annullando gli effetti di intaglio delle altre forme grafitiche.

Un primo controllo sulla microstruttura è ottenibile tramite un particolare processodi INOCULAZIONE ; esso consiste nell‟introdurre nel processo di colata tramite

una lega di Fe- Si- C dei germi grafitizzanti che aumentino l‟attività del C,

favorendo la formazione di lamelle disperse senza allineamento preferenziale.

L‟inoculazione può essere effettuata in due metodi distinti : 1. Aggiungendo l‟inoculante prima della colata in siviera, mentre questa

viene trasportata fino allo stampo.2. Facendo fluire il bagno fuso in un preforma contenente l‟inoculante, ove a

seconda della velocità del flusso del bagno fusorio, la corretta percentualedi Si viene adsorbita dal bagno.

inoculante inoculante

cubilotto forma preforma

Forno di attesaforma

Il controllo definitivo deve essere effettuato sulla cella elementare della grafite, laquale è esagonale. I piani basali della cella assorbono ossigeno, il quale impediscela crescita della cella nella direzione dell‟asse principale.

Di conseguenza solo i pianilaterali avranno la possibilità di

accrescersi, ed è a causa di ciòche la grafite tende a formarelamelle. L‟unica soluzione per

formare della grafite sferoidaleè l‟eliminazione dell‟ossigeno

in modo tale da permettere unacrescita uniforme della cella;tale obiettivo può essereraggiunto tramite l‟aggiunta di

Mg, fortemente affineall‟ossigeno essendo un

metallo alcalino terroso,tenderà a formare MgO



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La ghisa, però, non è già disponibile in composizione adatta, in essa è presente zolfo efosforo in quantità relativamente elevata: S = 0,1% P = 0,1÷0,5% Soprattutto lo zolfo èdannoso per il processo di sferoidizzazione perché reagisce con il Mg generando solfuridi magnesio, ed è ovvio che se si consuma tutto per questa reazione non ne rimane perl‟utilizzo desiderato, ovvero la formazione di MgO.

Il contributo maggiore, e quindi più dannoso, di inquinamento del bagno da zolfoè recato dalla combustione del coke nel cubilotto, non posso in nessuna manieraevitare questo passaggio in quanto è necessario per portare i rottami allatemperatura di fusione.Bisogna quindi effettuare una desolforazione spinta; per portare il tenore di S adalmeno un ordine di grandezza inferiore 0,01%, quello desiderato, eseguo un

pretrattamento del bagno di ghisa, mediante il contatto del bagno con ossido dicalcio (Ca + O CaS + O), il tutto in una siviera oscillante.Finita la desolforazione posso aggiungere il Mg (in una siviera con coperchio atenuta). Il Mg viene diluito con Ni (75%Ni - 25%Mg), perché essendoestremamente reattivo rischierei di dar vita ad una vera e propria esplosione, aquesto scopo il Ni rallenta la velocità di reazione ed ha anche un‟azionefavorevole sulla matrice.Quando aggiungo il magnesio nella siviera questo galleggerebbe, per via dellaminore densità, quindi se rovescio di 180°C la siviera, il Mg attraversa tutto il

bagno compiendo il suo compito; l‟ MgO tornerà a galla e lo potrò asportarecome scoria, mentre il Ni rimarrà nel bagno, modificando la matrice grazie allesue caratteristiche austenitizzanti.Tutto ciò deve avvenire con dei germi di grafite preesistenti e stabili, quindi dopoun‟opportuna inoculazione.

Ora la sferoidizzazione è ultimata (gli sferoidi sono considerati come inclusioni,utili anche per operazioni di asportazione di truciolo).

Elementi di lega adatti alla ghisa

La ghisa sopporta molto male gli elementi di lega (sono da evitare tutti glistabilizzanti dei carburi), perché ostacolano un importante fase operativa, ovvero lasegregazione della grafite.Gli elementi di lega sono normalmente: C, Cu, Sn, Si, Mn, S, P, MgLe ghise sono quindi leghe semplici e assomigliano ad un normalissimo acciaio al

carbonio, tuttavia vi sono delle sostanziali differenze tra acciai e ghise :le inclusioni di S e P sono nettamente diverse, negli acciai le loro quantità sono indice dellaqualità dell‟acciaio stesso, in quanto modificano negativamente la tenacità, ma nel casodelle ghise la tenacità è già di per se modesta, dunque un ulteriore diminuzione non è cosìallarmante, portandoci ad avere nelle ghise percentuali di S e P fino a 10 volte maggioririspetto gli acciai più tradizionali.Questo fatto, però, genera un limite; molti rottami (ad esempio pezzi meccanici) non

possono essere riutilizzati per dare ghisa, e non si possono fondere nel cubilotto percreazione di leghe di seconda fusione.Per migliorare la colabilità della ghisa fusa è utile aggiungere del Cu, oppure un altroelemento con lo stesso effetto, è il caso del fosforo, quest‟ultimo però ha una certa tendenza

a legarsi coi carburi. Infatti aggiungendo P si forma un eutettico: la Steadite (Fe3P), moltosimile alla cementite (Fe3C). Il P favorisce l‟abbassamento della temperatura di fusione e diconseguenza migliora la colabilità.



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Ovviamente la ghisa al 4,3% di C avrebbe la colabilità decisamente migliore in quanto lasua temperatura di fusione è la più bassa. Ma il C influenza , come detto, le caratteristichemeccaniche di una ghisa e qual è la ghisa che meglio sopporta elevate concentrazioni di C?ovviamente quella sferoidale, dato che lo sferoide minimizza l‟effetto di intaglio, nellostesso tempo viene migliorata la colabilità e

si risparmia in utilizzo di inoculante.L‟aumento di tenore di C in una lega lamellare diminuisce notevolmente le caratteristichemeccaniche e annulla pressoché la tenacità: bisogna sapere che le ghise vengonoclassificate secondo la loro resistenza a trazione, quindi una ghisa G15 e una G35,

possiederanno rispettivamente resistenza di 150 e 350 MPa, ma tra le due quella a maggiorcontenuto di carbonio sarà ovviamente la prima.Le ghise in generale non sono mai lavorabili per deformazione plastica a caldo o a freddodati i bassissimi livelli di tenacità, ma sono comunque lavorabili all‟utensile, grazie

all‟effetto lubrificante della grafite.

Stru ttura dell a MatriceLa matrice sarà influenzata dalle dimensioni del pezzo e dalla velocità di raffreddamento; la maggior

parte dei processi di fonderia riguardanti la ghisa vengono effettuati o tramite colata in staffa o tramite processo a schiuma persa. Di conseguenza ci aspetteremo diverse matrici coesistenti all‟interno del

pezzo.La materozza dello stampo alla fine del raffreddamento sarà sicuramente martensitica, date le sezionimodeste; mentre come ci si puo‟ attendere la pelle del pezzo, soggetta a velocità di raffreddamentomedio-elevate tenderà a seguire il diagramma di stato metastabile con il C che diffonderà verso ilcentro della cella, ovvero verso lo sferoide grafitico (o verso la lamella grafitica), impoverendol'austenite e formando infine una matrice perlitica. Il discorso cambia invece man mano che ci

avviciniamo al cuore del pezzo, dove con una diminuzione della conducibilità e di conseguenza unadiminuzione della velocità di raffreddamento, viene seguito il diagramma di stato stabile, ottenendocosì una matrice ferritica. La matrice ferritica sarà caratterizzata da una decente tenacità mentre lamatrice perlitica sarà caratterizzata da buone caratteristiche tensili.



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Per evitare fenomeni di decarburazione superficiali, nella forma viene immessa della pece la quale provoca un ambiente riducente, avremo dunque pece + bentonite + acqua ; l‟acqua tuttavia usata comelegante nella bentonite durante l‟evaporazione potrebbe causare delle porosità nella struttura.

Possiamo anche interagire sulla matrice, non solo sulla forma e la distribuzione della grafite, ciò puo‟essere conseguito ad esempio impedendo al C di diffondere verso il “pozzo nero” grafitico, evitandocosì l‟impoverimento di C del volume circostante, ottenendo una matrice totalmente perlitica e nonferritica. Tale inibizione può essere fatta con due meccanismi diversi: uno termodinamicoaggiungendo in lega Cu; ed uno fisico aggiungendo dello Sn il quale data la bassa temperatura difusione e l‟insolubilità nel ferro, andrà a foderare gli sferoidi grafitici, impedendo la diffusione del C.

Classificazione delle ghise: Ghise Nere : ipereutettiche con alti valori di C Ghise Grigie : lamellari con contenuti medi di C

Ghise Bianche : ottenute con raffreddamenti veloci ed elementi stabilizzanti dei carburi. Ghise sferoidali: ottenute tramite i già citati processi di inoculazione e sferoidizzazione, sono

le ghise di maggior interesse per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche. Ghise legate : tale classe include ghise al silicio, al cromo e al nichel, e qualsiasi altra ghisa

prodotta per soddisfare particolari esigenze. Ghise vermiculari: la grafite in questo caso non è sferoidale, ma neanche lamellare, piuttostola forma assunta dalla grafite in questo caso si presenta come un ibrido tra le due formegià viste.

Elementi Ghise al silicio Ghise al Cromo Ghise al NichelCarbonio 0,4-1 2-4 2-3Silicio 14-17 0,5-3 1-2,75Manganese 0,4-1 0,3-1,5 0,4-1,5

Nichel - 5 max 14-32

Cromo - 12-35 1,75-5,5Rame - 3 max 7 maxMolibdeno 3,5 max 4 max 1 max

Le ghise al Silicio hanno proprietà meccaniche e termiche scarse, con elevata fragilità, scarsacolabilità e lavorabilità, tuttavia il Si presente in lega per alti tenori (sopra il 3%) favorisce laformazione di una patina di ossido, garantendo una discreta resistenza alla corrosione; l‟utilizzo

principale è nella fabbricazione di tubi di scarico per impianti chimici e/o laboratori.

Le ghise al cromo d‟altra parte hanno migliori proprietà meccaniche, grazie ai maggiori tenori di Coltre alla presenza di ingenti quantità di cromo, che oltre a formare carburi favoriscono anche la

formazione di strati passivati protettivi. Il Mo in lega aumenta l‟IP. Le ghise al nichel sono caratterizzate da caratteristiche tensili nella media, ma grazie alla presenza del

Ni la struttura della matrice è austenitica, comportando una buona tenacità, eccellente lavorabilità e buona colabilità.



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Ghisa vermiculare La forma della grafite è in vermiculi arrotondati, questi agevolano il flusso termico a passare (inanalogia a quanto accade nelle ghise lamellari e non come nelle sferoidali) e non determinano unconsistente effetto di intaglio:

Per ottenerla è necessario aggiungere al bagno fuso alcuni elementi:

Mg = 5% Ti = 10% Ca = 4% Al = 1% Ce = 0,3% Si = 50%

Il vero agente vermicularizzante è il Cerio, una terra rara, che modifica la tensione superficiale, glialtri elementi, oltre al Si e Fe (che compone il resto della ghisa), garantiscono l‟efficacia al Ce, sonotutti dei disossidanti (in quanto più affini all‟ossigeno) e proteggono il Mg dall‟ossidazione, mentre ilCa è desolforante, il Si è l‟agente inoculante indispensabile per la nucleazione della grafite.È importante avere il Ca come desolforante per portare a buon fine il processo e per risparmiare inlega aggiunta, tanto che se nella ghisa ho:

S = 0,01% devo aggiungere lo 0,6% di vermicularizzante S = 0,02% aggiungo l‟1% di vermicularizzante

S = 0,03% ne aggiungi l‟1,4%

Un‟applicazione possibile della ghisa vermiculare è nei dischi freno dei treni, questo organoindispensabile deve smaltire molto velocemente e bene il calore, il calore è sviluppato dall‟attrito delceppo sul disco, pertanto quando le temperature sono elevate l‟attrito diminuisce e l‟organo frenantenon adempie più al suo compito, è fondamentale, quindi, che il materiale del disco possieda unaconducibilità termica buona.Per questa situazione il giusto compromesso si trova proprio nella ghisa vermiculare, in quanto quellalamellare trasmette molto velocemente il calore, ma possiede resistenze a trazione basse, quellasferoidale invece ha buone resistenze, ma conducibilità termica più bassa dato che la superficie di

contato tra sferoide e matrice è limitata. La concentrazione del C per i dischi freno convenzionalioscilla tra il 3,5-3,6%.



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Trattamenti termi ci tipi ci dell a ghisa.

Ricottura di distensione Ricottura Decarburante Ricottura Ferritizzante

Bonifica Tempra a Induzione

Ricottura di Distensione :Effettuata quando vi è il rischio di instabilità dimensionale a causa di un disegno del pezzo troppocomplesso o quando il pezzo sarà impiegato in processi che richiedono alta precisione e stabilitàdimensionale nel tempo, viene effettuata a 500°C circa con un mantenimento in temperatura infunzione delle dimensioni.

Trattamenti di Malleabili zzazione : Ricottura Decarburante e Ricottura F err iti zzante

Gli svantaggi principali delle ghise sono la fragilità e la scarsa tenacità, come porre rimedio?Potremmo usare ghise sferoidali le quali come abbiamo visto minimizzano effetti di intaglio con ilmiglior compromesso dal punto di vista delle performance meccaniche; oppure potremmo sfruttare iseguenti trattamenti termici di ricottura :

Ricottura DecarburanteTale processo porta i pezzi ad alte T in atmosfere ossidanti controllate, in tali condizioni il C verrà

progressivamente eliminato dalla ghisa secondo la reazione decarburante : CO2 O2 + C1. Sulla superficie del pezzo il C si ossida abbandonando l'austenite, si crea un gradiente di

concentrazione all‟interno del pezzo. 2. Il C diffonde dal Cuore Nero Grafitico verso la superficie impoverita.

Infine avremo una struttura ferritica con carburi e noduli grafitici, tale microstruttura sarà molto similea quella di un acciaio dolce. Svantaggi di tale trattamento termico è la limitazione a spessori nontroppo grandi, infatti in quel caso il cuore del pezzo resterebbe nero necessitando di tempi troppolunghi per la diffusione in superficie del C. I vantaggi sono principalmente una saldabilità miglioratainsieme a tutte le caratteristiche tipiche di un acciaio dolce.

Ricottura Ferr iti zzanteIl trattamento si basa sul passaggio dal sistema metastabile al sistema stabile, ottenendo una ghisa amatrice ferritica massimizzando la tenacità; tale processo viene effettuato usualmente su ghise

sferoidali.La ricottura in questo caso è ipercritica (900°C) in cui si ha la decomposizione della cementite, econseguente liberazione di C che diffonderà verso i pozzi neri grafitici più vicini, ottenendo infine deinoduli grafitici frastagliati. L‟efficacia del trattamento risiede nel raffreddamento il quale deve essere

lento per porci in condizioni di stabilità termodinamica; il risultato finale sarà una matrice ferritica condei noduli grafitici frastagliati.

BonificaI pezzi vengono portati ad alte temperature per austenitizzare la matrice, tale fase comporta ladiffusione del C verso i noduli grafitici il che comporta un loro ingrossamento. La fase successivaconsiste in una tempra mediamente drastica, necessaria per trasformare la struttura in martensite +

perlite con percentuali variabili di austenite residua; la quale verrà decomposta successivamentetramite diversi rinvenimenti, necessari anche per il rinvenimento della martensite. La bonifica ci permette di ottenere buoni carichi di rottura ma A% molto ridotti.



198

Ecco uno sguardo d‟insieme del fenomeno principale :Sostanzialmente grafite e carburi si comportano come riserve di C, tali riserve durante unriscaldamento ad alte T liberano C, saturando la matrice circostante la quale è austenitica; talemeccanismo ci permette di ottenere una martensite prestazionale dopo aver effettuato un corretto

processo di tempra.

Le ghise sono molto sfruttate per la produzione di termosifoni, anche se impiegano parecchio perriscaldarsi, poichè mantengono il calore anche da spenti per lungo tempo.Con la ghisa nera ad esempio vengono fabbricate le lingottiere, sempre per la caratteristica diconducibilità termica elevata, che consegue un ottimo smaltimento del calore.Da sempre i basamenti motore delle macchine vengono prodotti in ghisa per svariati vantaggi,nonostante il peso e la rigidità elevata. Le case automobilistiche giapponesi l‟anno di fatti sostituitacon l‟alluminio, mentre la Fiat continua a creare i basamenti motore in ghisa e la testata in alluminio.

Effetti degli elementi di lega nelle Ghise

Si

Essendo un forte ferritizzante, scaccia il C dalla matrice favorendo la grafitizzazione; è l’agente

inoculante che modifica la struttura della ghisa. Le ghise al silicio permettono di diminuire la %C

soppesando con un aumento della %Cequivalente.

MgE’ l’elemento sferoidizzante, che insieme all’inoculazione porta ad avere una ghisa sforoidale modificando la

tensione superficiale della grafite. Occorre fare una desolforazione spinta.

CeE’ l’elemento vermiculante insieme ad una carica incoculante; la carica complessiva è composta da forti

elementi disossidanti quali Ti, Al, Si, Mg, Ca & Si.

CrPresente nelle ghise bianche al cromo, aumenta decentemente la resistenza alla corrosione.

NiAumenta la res.corrosione in ambienti basici.

CuInibisce termodinamicamente la diffusione del C dall’austenite alla grafite, assumendo un comportamento

perlitizzante.

SnAvrà un effetto analogo al Cu ma fisicamente, essendo bassofondente andrà a foderare la grafite inibendo la

diffusione di C tra grafite e austenite; effetto perlitizzante.

MoDi norma evitato nelle ghise poiché stabilizza i carburi, viene usato solo nelle ghise bianche al cromo per il suo

effetto positivo sull’IP.

S&PNegli acciai la loro % era molto limitata poiché degradavano fortemente la tenacità dell’acciaio, nelle ghise

tale parametro è poco rilevante tanto che le % di S&P sono di 10 volte superiori.



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LEGHE D’ALLUMINIO http://it.wikipedia.org/wiki/leghe_di_alluminio

http://www.ing.unitn.it/~colombo/ALLUMINIO%20PRODUZIONE/Pagina%20web.htm Caratteristiche

Le leghe d‟alluminio sono molto adatte come leghe da fonderia in quanto la lorotemperatura di fusione è relativamente contenuta, circa 660°C. Inoltre sono facilmente lavorabili perdeformazione plastica in quando la loro struttura reticolare è CFC (cubica a facce centrate).

VANTAGGI: Densità bassa: circa 2,7 g/dm3, ciò comporta una notevole riduzione di peso

rispetto alle leghe ferrose che presentano una densità pari a 7,7 g/dm3circa.

Ottima conducibilità termica ed elettrica Struttura che tende a passivarsi, mediante l‟ossidazione dell‟alluminio, molto

affine all‟ossigeno, è quindi una buona garanzia di resistenza alla corrosione. Il reticolo CFC conferisce elevata duttilità, le leghe di alluminio

garantiscono un processo di deformazione plastica facilitato.

INCONVENIENTI: Rigidezza modesta, un terzo rispetto ad un acciaio, il modulo di Young di

queste leghe è decisamente basso Scarsa resistenza meccanica.

Reattività con O2 elevata, rende difficoltosa la saldatura, effettuabile solo conatmosfera protettiva come negli acciai inox. Notevole quantità di energia da spendere per passare dall‟ossido di alluminio

presente in natura all‟alluminio metallico.

Questa tipologia di leghe ha ottenuto molto successo in campo motoristico eautomobilistico, in quanto permette alleggerimenti strutturali con risparmio dicarburante nella fase d‟uso del veicolo.Distinguiamo principalmente due classi di leghe d‟alluminio: Leghe da

deformazione plastica e Leghe da fonderia.

http://it.wikipedia.org/wiki/leghe_di_alluminio

http://www.ing.unitn.it/~colombo/ALLUMINIO%20PRODUZIONE/Pagina%20web.htm



http://it.wikipedia.org/wiki/leghe_di_alluminio



200

Leghe da fonderia

Le caratteristiche fondamentali per una lega da fonderia sono:

Temperatura di fusione minore possibile; Modesto intervallo di solidificazione, per evitare fenomeni di disequilibrio nella matrice

metallica.Per considerare le leghe da fonderia è opportuno iniziare esaminando il diagramma di statoAl-Si:



201

Questo diagramma di stato è binario e a solubilità parziale di Si in Al e totale di Al inSi, la zona che più ci interessa è essenzialmente quella più ricca di Al; si tratta di unsistema eutettico, in cui la soluzione solida si estende sino a circa 1,7% di Si.L‟eutettico si colloca a 580°C, in corrispondenza dell‟11,7% di Si.La lega più opportuna nel caso debba essere utilizzata per fonderia sarà quindi di tipo

eutettico.

Il silicio ha un doppio ruolo però, e bisogna stare attenti. Se da una parte dà cristalli adurezza elevatissima e indeformabili che forniscono rafforzamento, dall‟altra sicomporta come il C nella ghisa, ovvero come un inclusione.La situazione in cui veniamo a trovarci è quella classica di un materiale composito: ledislocazioni trovano notevole ostacolo al loro movimento grazie alle inclusioni di Si. Ilsilicio fornisce, quindi, un notevolissimo rafforzamento indotto, ostacolando ifenomeni di climb che si creano nel caso la lega lavori a temperature relativamente

basse. In sostanza è un ottimo legante da fonderia, perché rafforza e abbassa latemperatura di fusione.

Nelle leghe considerate il rafforzamento è ottenuto essenzialmente per presenza di unaseconda fase NON metallica e per la costruzione di una soluzione solida: questi duemezzi hanno un effetto estremamente blando, per cui è di fondamentale importanzaconoscere come varia la resistenza della lega a caldo. Andiamo a diagrammare comevaria con la temperatura di esercizio, in funzione del tenore di Si, il valore del caricodi rottura della lega

200250 MPa

T ambiente

100°C

200°C

%Si



202

All‟aumentare della temperatura la resistenza meccanica diminuisce poiché si attivanofenomeni di scorrimento (a caldo), cioè le dislocazioni hanno una maggiore facilità a„sormontare‟ le particelle indeformabili. Per migliorare queste caratteristiche delmateriale posso aggiungere un secondo elemento di lega, il Cu.

Nella lavorazione per asportazione di truciolo cosa c‟è da attendersi?Le leghe Al-Si hanno una truciolabilità buona, grazie al fatto che la matrice è duttilecon interruzioni, dovute alla presenza delle inclusioni di Si, queste rendono quindifragile il truciolo. Il problema risiede nel fatto che il Si tende a segregare in formaaciculare (aghiforme), come due piramidi con le basi unite, questo cristallo possiedequindi due punte particolarmente pericolose per l‟utensile da taglio, perché vi siconficcano all‟interno, usurandolo esageratamente.Lo standard, per evitare questa indesiderata situazione, è ricorrere a un trattamento dimodifica: tale processo si esegue con lo scopo di modificare la forma delle inclusionida aciculari a nodulari (forma simile a una sfera).

Cristallo aciculare

Così facendo, durante la lavorazione meccanica, è come se l‟utensile di lavorazioneandasse a impattare su una biglia di diamante (in quanto la struttura cristallina delsilicio è come quella del carbonio in forma di diamante), si riscontra così un decisomiglioramento della lavorabilità all‟utensile.

Altro effetto del silicio di rilevante importanza è lo spostamento dell‟eutettico atemperature più basse, questo in corrispondenza del 13% di Si in lega.Dato che in metallurgia gli schemi si ripetono (vedi inoculazione della ghisa), il siliciotramite l‟affinità con l‟ossigeno tende a crescere secondo una direzione preferenziale.Qui entra in gioco il più potente disossidante, il sodio (Na), esso agisce sui meccanismidi nucleazione e crescita del silicio ed il suo effetto è abbastanza duraturo nel tempo(in alternativa si usa lo Sr, con il risultato che il suo effetto è più evanescente). L‟unico

problema nell‟utilizzo del sodio metallico, è che risulta difficile da manipolare inquanto estremamente reattivo, quindi esplosivo; è stato necessario quindi cercare tragli alcalino-terrosi degli stabilizzanti dell‟ Na, optando per miscele saline a base difluoruri. che aiutano la scorificazione di Al2O3, che costituirebbe un‟inclusioneindesiderata.L‟azione di fluidificante, ad esempio da parte del Cu, migliora infine le caratteristichedi colabilità.http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGA_AL7020/LEGHE_BINARIE.htm

http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGA_AL7020/LEGHE_BINARIE.htm





203

Riflessioni sulla struttura

Qual è la tecnica di fonderia più utilizzata per le leghe d‟alluminio?Per pezzi di forma particolare si usa la colata in conchiglia, mentre per pezzi in

piccola serie la colata in sabbia.Sicuramente la più applicata è quella per presso-colata (90% dei casi), perché l‟Al

ha bassissima affinità per il Fe (che si trova negli stampi, fatti con acciai rapiditipo H11, H13). In questi casi comunque gli stampi sono principalmentesottoposti a fatica termica.

Il problema si pone quindi per la presso-colata, che è effettuata in formametallica, si sa bene che tra due metalli a contatto, uno caldo e uno freddo, sigenerano flussi di calore notevoli, quindi la velocità di raffreddamento èelevata, tanto da influenzare la struttura solida finale. Tali fenomeni sono tanto

più marcati quando più silicio è presente in lega , quindi per controbilanciarequesti fenomeni si tende a utilizzare leghe moderatamente ipoeutettiche; ovverostrutture prima della solidificazione con dendriti di fase e liquido

interdendritico + Si.In assoluto le leghe as cast hanno strutture dendritiche, più grossolane se lavelocità di raffreddamento è bassa, con liquido interdendritico alfa + silicio.Comunque le dendriti hanno maggiore finezza rispetto a leghe formate percolata in gravità o in sabbia.

Considerazioni sul secondo elemento di lega fondamentale: il Cu

L‟importanza del rame in queste leghe è notevole:

Essendo un metallo, è molto più solubile (tre volte) rispetto al silicio; È un metallo nobile quindi riduce la reattività nei confronti dell‟ossigeno; Aumenta sensibilmente la colabilità ; Migliora le caratteristiche di resistenza meccanica al creep, in quanto ostacola il

fenomeno di climb delle dislocazioni.

Osserviamo il diagramma di stato Al-Cu, estremamente simile a quello Al-Si almeno nellezone prossime all‟Al, lo riportiamo nella zona di interesse, essenzialmente compresa tra Al eil composto intermetallico Al2Cu:



204

È la lega ternaria più comune di Al-Si-Cu da pressocolata. Come si nota possiede una

temperatura di fusione, all‟eutettico, molto bassa (540°C). in tutte le leghe Al-Cu il tenore diCu è tale da non superare il campo della soluzione solida (non supera quasi mai il 2%), la piùimportante di queste leghe da getto è la G Al Si Cu 13-2 (13% Si e 2% Cu).L‟effetto dell‟aggiunta di Cu è estremamente positivo, perché tende a segregare sotto formadi intermetallico. Questo intermetallico è particolarmente duro quindi rafforzante.Il rame è l‟elemento principale che rende le leghe di alluminio sottoponibili alla bonifica.Tuttavia lavorare con concentrazioni di Cu troppo basse porta a spiacevoli fenomeni durantela fase di lavorazione, quali la bruciatura.Essa consiste nel riscontro di una parziale liquefazione del Cu presente in lega; ciò avviene invirtù del diagramma di stato Alluminio Rame, infatti si tende sempre a lavorare conconcentrazioni di Cu nell‟intorno del 4%, oppure altre soluzioni al problema sarebbero avere dei

forni ventilati o avere una termo coppia sulla superficie della carica e una internamente.

Bonifica di leghe di Al

È un trattamento che viene effettuato su leghe di Al con un tenore di Cu inferiore al 4,5%,quindi lontane dalla solubilità massima, questo dettaglio è importante perché mi evita i rischidella formazione di liquido durante il trattamento. La lega viene portata in temperatura conalfa unica fase termodinamicamente stabile (simile all‟austenitizzazione). Dopo ilriscaldamento segue la tempra; questo trattamento è una tempra di soluzione per evitare latrasformazione in + Al2Cu. Mi porto così in condizioni metastabili con sovra satura,questa a temperatura ambiente indurrà un notevole vantaggio perché otterrò il massimo grado

di tenacità, quindi la possibilità di deformare plasticamente a freddo. Infine effettuol‟invecchiamento che ha effetto opposto al rinvenimento, portare alla precipitazione delrafforzante; questa fase del processo viene condotta a temperature di circa 150-200°C.È l‟opposto del rinvenimento perché induco rafforzamento, grazie alla precipitazione dellafase Al2Cu (chiamata ).Durante l‟invecchiamento avvengono fenomeni complicati suddivisi in tre stadisequenziali:

1. Inizialmente il Cu tende a uscire dalla soluzione solida ed a passare attraverso varistadi di tipo metastabile. Diffondendo va a posizionarsi in minutissimi

raggruppamenti ad elevatissima concentrazione di Cu simili a degli isolotti. Questevengono chiamate „zone di Guinier-Preston‟ e generano un effetto rafforzante dovuto



205

alla distorsione reticolare, ma dato che possiedono la stessa struttura cristallina delmetallo l‟interfaccia con la matrice è assolutamente coerente ( i piani cristallini di alfacontinuano in zone GP con solo una leggera inflessione). La distorsione reticolare(inflessione) che generano è rafforzante in quanto ostacola la mobilità delledislocazioni.

2. Successivamente si crea un precipitato a interfaccia coerente con dimensione molto

più ridotta, questa fase di non equilibrio si forma dopo che la concentrazione di Cu èdiventata massima, ed è chiamata „ precipitato ‟. esso ha formula e struttura moltosimile a Al2Cu. È una fase intermedia con dimensioni più ridotte. Le ipotesi piùaccreditate sostengono che le zone GP siano il germe di nucleazione e chescompaiano per lasciare il posto al precipitato .Qual è l‟effetto dell‟interfaccia coerente? Perché ha un effetto rafforzante?Sostanzialmente ciò avviene poiché all‟interfaccia la velocità di propagazione delledislocazioni diminuisce notevolmente, possiamo immaginare tali interfacce come unatrappola formata da sabbie mobili, le dislocazioni vi entrano ma hanno difficoltà aduscirne.

3. Per tempi più lunghi si forma il precipitato : il suo effetto distorcente è minorenonostante le sue maggiori dimensioni rispetto a . È una fase ancora precedente aquella di equilibrio, la sua interfaccia è semicoerente. Lo scopo

principale dell‟invecchiamento è giungere a questo precipitato perché è quelloche meglio rafforza la lega. L‟interfaccia incoerente o semicoerente invece ha una

bassissima tendenza a consentire il moto delle dislocazioni perché è un rafforzamentoindotto dalla presenza di una seconda fase indeformabile, è dunque un meccanismodiverso da quello dell‟interfaccia coerente con il reticolo cristallino.

Come già detto la fine del processo si ottiene con la formazione del precipitato diequilibrio , corrispondente all‟ intermetallico Al2Cu.

Diagramma di invecchiamento:

HRC 200°C

150°C

super invecchiamento

Invecchiamento naturale

GP

tempo dirinvenimento

A B

Invecchiamento a temperatura di 200°C Invecchiamento 150°C Invecchiamento naturale

Al tempo zero il livello di durezza è minimo, con il procedere dell‟invecchiamento ladurezza aumenta perché iniziano a formarsi le zone GP (poca distorsione reticolare),



206

poi aumenta di più con la formazione di e successivamente . Quando si forma , iltrend si inverte facendo diminuire la durezza.La zona ottimale di invecchiamento è compresa tra A-B, dove si manifesta la massimadurezza, oltre B è super invecchiamento con perdita di resistenza meccanica.Se aumento la temperatura di invecchiamento, il processo si velocizza, ma rischio di

non controllarlo bene con la possibilità di fare un super invecchiamento.

Un breve confronto tra il carico di rottura di un classico acciaio da bonificanell‟intorno dei 1000 MPa e una lega Al-Si-Cu sottoposta anch‟essa a bonifica, con

un carico di rottura nell‟intorno dei 500 MPa mette in luce un‟importante

differenza; possiamo ottenere pari caratteristiche tensili di carico con spessori diAlluminio bonificato doppi, con un enorme vantaggio, quale? Il peso, datasi laminor densità della lega di alluminio.

http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGA_AL7020/INDURIMENTO_PER_PRECIPITAZIONE.htm

http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGA_AL7020/MOTIVAZIONI_INDURIMENTO .htm

http://www.youtube.com/watch?v=f4OTj9yNOak http://www.youtube.com/watch?v=V7Y0zAzoggY

http://www.youtube.com/watch?v=bjP_5a3DoZI




http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGA_AL7020/MOTIVAZIONI_INDURIMENTO.htm




http://www.youtube.com/watch?v=f4OTj9yNOak


http://www.youtube.com/watch?v=V7Y0zAzoggY













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Corrosione

di leghe

d’alluminio

Le leghe di alluminio sono particolarmente resistenti alla corrosione, questo grazie alsolito meccanismo di passivazione, già visto negli inox, per il quale vi è la tendenza diun elemento, nel nostro caso l‟Al, a passivarsi, creando uno strato di ossido„impenetrabile‟. L‟Al a contatto con l‟ossigeno genera uno strato di Al2O3.Questa tendenza può inoltre essere aumentata con processi di anodizzazione

(trattamento specifico delle leghe d‟alluminio).Schema dell‟anodizzazione:

+ -

Al Pt

H2SO4

Le reazioni che governano tale processo sono:

all‟anodo Al Al3+

+ 3e-

al catodo 2H+

+ 2e- H2

reazione di passivazione 2Al3+

+ 6OH- Al2O3 + 3H2O

il vero strato passivato isolante alla fine è Al2O3 idrato, dello spessore di alcuni m.La struttura cristallina finale è costituita da grossi cristalli prismatici a base esagonale,

però non è ancora molto efficace perché presenta un foro nel centro delle facce basali,

quindi un facile canale da percorrere per una soluzione aggressiva. Per colmare questi buchi uso una „stucco‟ o meglio un processo, che consiste nel far investire il pezzocon un getto di vapor d‟acqua che idratando l‟ossido lo fa gonfiare fino a tappare i

buchi.Grazie a questa porosità posso anche colorare lo strato superficiale facendo precipitaredegli ossidi colorati (es. ossidi di Cr), oppure posso rivestire con uno strato polimerico(es. TEFLON).L‟anodizzazione è molto utile data la caratteristica anfotera dell‟alluminio, ovvero latendenza a corrodersi sia in ambienti basici che acidi, formando rispettivamenteAl(OH)3, H3AlO3.L‟inconveniente di una lega d‟alluminio anodizzata è la resistenza a fatica; dato che in

superficie si crea a tutti gli effetti uno strato ceramico, una cricca trova l‟ambienteideale per propagarsi in una zona sollecitata.. In compenso, l‟alluminio anodizzato possiede una spiccata resistenza all‟usura, ed in ogni caso una lega di alluminio

bonificata avrà comunque una resistenza a fatica maggiore, le nostre miglioriaspettative dunque si riverseranno su una lega di Al-Si-Cu bonificata esuccessivamente anodizzata.Le leghe di Al bisogna anche distinguerle in funzione della loro propensione allaanodizzazione. Quelle con molto silicio ad esempio sono difficili da anodizzare, inquanto il Si è inerte da quel punto di vista, di conseguenza in prossimità di un inclusionedi silicio superficiale lo strato anodizzato sarà più fine.



208

È facile intuire che la superficie a causa del Si rimarrà rugosa e irregolare, aumentandola sensibilità al pitting.Per proteggere lo strato passivato, dai cloruri (agenti spassivanti) è utile inserire unterzo elemento fondamentale di lega, il Mg. È molto interessante perché non modificale caratteristiche di leggerezza e presenta elevatissima solubilità in Al (>15%) atemperature elevate. Grazie all‟utilizzo del Mg si è potuto realizzare leghe Anticorodal3%Mg e Peraluman 10%Mg le quali hanno dato estremi benefici nella resistenza a

corrosione alle leghe di Al in ambienti clorurati.http://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing http://astro.neutral.org/anodise.shtml

Si

Profilo Pratico

Profilo Teorico

Strato Anodizzato

http://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing


http://astro.neutral.org/anodise.shtml






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Aspetti pratici

Qual è la differenza tra leghe ferrose e leghe d‟alluminio?Quando ho un minerale per ottenere l‟elemento devo ridurlo, nel caso del ferro il suoriducente è il carbonio, ma nel caso dell‟alluminio non c‟è.L‟unico processo economico per l‟ottenimento di Al è per via elettrolitica: si

scioglie dell‟allumina (Al2O3) nella criolite con un processo elettroliticaAl

3++ 3e

- Alcatodico

Per produrre 1Kg di Al ci vogliono circa 13 KWh/Kg, questo alluminio viene considerato ditipo primario, ed è parecchio costoso per via dell‟elevato dispendio energetico; per fortuna ein compenso, l‟Al è estremamente adatto al riciclo (per il 100%), data la sua bassatemperatura di fusione, si realizzano così leghe secondarie. Quest‟ultime si produconomiscelando rottami con un agente scorificante (a base di NaCl) che serve a inglobarecomponenti indesiderati, nel nostro caso l‟ Al2O3.Le leghe secondarie sono meno pregiate però, perché sono spesso inquinate da acciaio

e con Al non è possibile fare processi di tipo ossidativo sul bagno da rottame vista laelevata affinità di Al con l‟ossigeno.La differenza tra leghe secondarie e primarie è quindi dovuta alle impurità, per la

precisione al tenore di Fe in lega, che è un elemento negativo in questa situazione. Nelle leghe primarie si ha un tenore dello 0,1%, nelle secondarie dello 0,8%.Per pressocolata quindi utilizzerò leghe secondarie in quanto il Fe riduce l‟attacco suglistampi; le leghe primarie sono molto indicate per deformazione plastica.

Un vantaggio delle leghe primarie è che posso rafforzarle nello stesso processo diformatura, tramite incrudimento (metodo utilizzato per la fusoliera e le ali degli aerei)

Nell‟ambito automobilistico e non solo, un‟importante applicazione delle leghe dialluminio è nei pistoni, per la loro leggerezza. Queste sono essenzialmente utilizzatesotto forma di Al-Si, e in forma ipereutettica (fino a Si = 22÷24%).Il vero problema nel pistone, che giustifica l‟utilizzo di leghe Al-Si, è dovuto al fatto chedurante il cambio di regime del motore si dilata, per via dell‟aumento di temperatura. Inaiuto accorre il silicio che diminuisce questo effetto, dato il suo

coefficiente di dilatazione basso. Inoltre, grazie alla sua elevata durezza, garantisce una buona resistenza all‟usura.È necessario in queste applicazioni avere leghe pregiate in quanto il pezzo non deveessere mai sostituito.

Il pistone può anche essere prodotto per forgiatura, la sua qualità è migliore, e diconseguenza il suo prezzo è decisamente più elevato di quello prodotto per fonderia (trevolte tanto). Quello per fonderia inoltre rischia di avere molte porosità (indebolisconosensibilmente), per evitare il fenomeno potrei sostituirlo con leghe base Cu, però aumentola densità della lega.

La Saldatura e le Leghe di Alluminio

Come sempre quando parliamo di saldatura, è utile soffermarci principalmente su dueaspetti, la dinamica che interessa il cordone e la ZTA.

Nel cordone di saldatura di una lega d‟Alluminio il problema maggiore sarà riscontrato

dall‟alta reattività dell‟Al per l‟ossigeno, dunque dovremo usare tecniche di protezione congas inerte, quali TIG o MIG; proteggendo il bagno di saldatura risultano facilmentesaldabili.



210

Nella ZTA a differenza degli acciai non abbiamo il problema della presa di tempra,tuttavia potremmo avere un fastidioso effetto di ricristallizzazione non controllata con unadiminuzione della durezza; possono avvenire anche fenomeni di liquefazione nondesiderata poiché l‟Alluminio presenta un‟alta conduzione elettrica e termica. La

ricristallizzazione puo‟ essere bloccata aggiungendo piccole quantità di Cr; nel complesso

dunque le leghe di alluminio sono di facile saldatura, ma delicate e necessitano una serie di

accorgimenti vitali. Un ulteriore problema può derivare dai fenomeni di ritiro del cordonedi saldatura, rendendo quasi obbligatorio un detensionamento per limitare le tensioniresidue.

Classificazione delle Leghe di AlluminioTipi di leghe e loro contrassegni tradizionali (normative EN) Il raggruppamento delle leghe d‟alluminio viene fatto per tipo, ovvero secondo l‟elemento

predominante; le più importanti sono: Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Mn, Al-Zn. Le siglevengono precedute da una lettera: P per le leghe da lavorazione plastica, G per le leghe dafonderia primaria, SG per le leghe da fonderia secondaria e GD per le leghe da

pressofusione. Inoltre l‟alluminio e l‟elemento preponderante verrà contraddistinto da unalettera convenzionale, nel seguente modo:

Al A; Cu C; Si S; Mg G; Mn M; Zn Z.

Si avranno quindi le rispettive sigle, ad esempio per le leghe da lavorazione plastica: P-

AC P-AS P-AG P-AM P-AZ

Nel caso in lega, oltre all‟elemento preponderante, ve ne fosse un altro può non esserenecessario indicarlo nella sigla, in quanto esistono tabelle di unificazione, che definisconotutti gli elementi presenti e il loro tenore.

Nuovo sistema di designazione delle leghe di alluminio

Il sistema è basato su una designazione numerica delle leghe e viene utilizzato assieme aquello tradizionale.

L‟alluminio e le sue leghe vengono contraddistinte in base alla loro composizione chimica,con numeri di quattro cifre la prima delle quali indica la famiglia di appartenenza, la terza ela quarta contraddistinguono la composizione di leghe originali, la seconda indica eventualivarianti alla composizione base.Le famiglie sono le seguenti:

1000: alluminio nei vari titoli di purezza commerciale (per questa solafamiglia la 3° e la 4° cifra indicano il titolo di purezza; ad es.: 1050 = 99,5%; 1070 =99.7%...). vengono principalmente utilizzate queste leghe per: foil di alluminio per usodomestico, pentolame, etc…; 2000: leghe Al-Cu, la loro caratteristica è la bonificabilità elevata; 3000: leghe Al-Mn, leghe da deformazione plastica con



211

mantenimento dell‟incrudimento;

4000: leghe Al-Si, miglioramento resistenza meccanica (la percentuale diSi è comunque modesta); 5000: leghe Al-Mg, miglioramento della resistenza alla corrosione; 6000: leghe Al-Mg-Si, miglioramento della resistenza alla

corrosione e resistenza meccanica; 7000: leghe Al-Zn, come le leghe 3000 Al-Mn, utilizzate soprattutto perle strutture degli aerei in quanto possiedono una resistenza a fatica maggiore; 8000: leghe Al-Li, a bassissima densità.

Stato di fornitura

Come per tutte le leghe , le proprietà di quelle dell‟alluminio, e quindi le loro possibilità di impiego, possono dipendere moltissimo dallo stato di fornitura, ossiadalle ultime operazioni di trattamento termico e di lavorazione, con deformazione

plastica, praticata a caldo o a freddo; ma per queste leghe la varietà degli stati difornitura è particolarmente notevole e richiede quindi un esplicita illustrazione. Circa iltipo di lavorazione plastica che le leghe di alluminio possono subire, i contrassegnisono i seguenti:

P, significa, in modo generico, semilavorato allo stato grezzo; Pl significa semilavorato laminato; Pe significa semilavorato estruso; Pf significa semilavorato fucinato (in stampo aperto); Ps significa semilavorato stampato (in stampo chiuso);

Pt significa semilavorato trafilato.

Circa i trattamenti termici, invece, sia hanno le seguenti sigle riassuntive:

0 significa nessun trattamento termico; T significa tempra di soluzione, con raffreddamento in acqua fredda (10-

30°C); T b significa tempra di soluzione con raffreddamento in acqua bollente

(60- 100°C); To significa tempra di soluzione con raffreddamento in olio;

Ta significa tempra di soluzione con raffreddamento in aria; N significa invecchiamento naturale, dopo tempra di soluzione (qualsiasi); A significa invecchiamento artificiale, a temperatura superiore a 50°C,

dopo tempra di soluzione comunque ottenuta; S significa trattamento di stabilizzazione (sui getti); R significa ricottura (di addolcimento); B significa bonifica generica che comprende il doppio trattamento di

una tempra ed un invecchiamento.

Una notevole parte dei semilavorati di queste leghe subiscono come ultima operazione una

deformazione plastica a freddo che produce incrudimento, e permette in particolare dielevare la durezza, la resistenza a trazione, il limite di snervamento e i limiti elastici. È



212

evidente l‟importanza di questa operazione finale, particolarmente per alcune di questeleghe, che non possiedono valori molto elevati di tali caratteristiche; in tal caso agli altrisimboli l‟unificazione prevede l‟aggiunta, dopo le altre sigle, del simbolo H, accompagnatoda un numero che da una misura di tale incrudimento. Per le leghe da fonderia gli stati difornitura dipendono innanzitutto dalle condizioni dei getti, da distinguersi nei seguenticasi:

Gs indica getto colato in sabbia, allo stato grezzo; Gc indica getto colato in conchiglia, allo stato grezzo; G p indica getto colato sotto pressione, allo stato grezzo.

Nuovo sistema di designazione per gli stati di fornitura

Il nuovo sistema di designazione per gli stati di fornitura si basa sull‟impiego di una solalettera per indicare il tipo di lavorazione cui è stato sottoposto il prodotto, seguito da unoo più numeri che indicano le proprietà impartite al prodotto stesso; più precisamente:

F = grezzo di lavorazione, cioè come esce dalla linea di produzionesenza particolari controlli delle proprietà finali, non necessita di ulterioricondizionamenti;

0 = ricotto, cioè portato al massimo grado di addolcimentomediante trattamento termico;

H = incrudito, cioè sottoposto a indurimento controllatomediante deformazione plastica a freddo;

T = trattato termicamente, per elevare le proprietà meccaniche, cioè portatoalla temperatura di solubilizzazione, quindi temprato e invecchiato fino a

ottenimento di uno stato stabile.

Elenco dettagliato dei simboli relativi alle leghe da incrudimento e a quelle da trattamento

termico:

Ricottura completa OGrezzo di lavorazione FSolubilizzato W

Leghe da trattamento termico*

Tempra in aria e invecchiamento naturale T1 Tempra in aria,incrudimento e invecchiamento T2 Tempra, incrudimento einvecchiamento naturale T3 Tempra e invecchiamento naturaleT4Tempra in aria e invecchiamento naturale T5Tempra e invecchiamento artificiale T6Tempra e stabilizzazione T7Tempra, incrudimento e invecchiamento artificiale T8Tempra, invecchiamento artificiale e incrudimento T9Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento art. T10

Leghe da incrudimento**



213

¼ crudo per incrudimento H12½ crudo per incrudimento H14¾ crudo per incrudimento H16

1 crudo per incrudimento H18Extracrudo H20¼ crudo ottenuto per ricottura parziale finale H22½ crudo ottenuto per ricottura parziale finale H24¾ crudo ottenuto per ricottura parziale finale H26Crudo con ricottura intermedia + distensione H28¼ crudo e stabilizzato H32½ crudo e stabilizzato H34¾ crudo e stabilizzato H36Incrudito e stabilizzato H38

http://marcotraverso.it/spaceframe/it/2-1-2a.htm

Spesso però rinuncio all‟incrudimento perché è un rafforzamento disomogeneo Es. T8successivo invecchiamento artificiale dopo l‟incrudimento

Proprietà meccaniche e fisico chimiche di alcune importanti leghe di alluminio.Confronti con altri materiali strutturali.






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Caratteristiche meccaniche delle principali leghe da deformazione plastica.

Caratteristiche e applicazioni delle leghe di alluminio da deformazione plastica. Lega Caratteristica Applicazione 1050 Metallo commercialmente puro, molto Lastre litografiche,1100 plastico allo stato ricotto, buona resistenza decorazioni, pentolame,1200 alla corrosione scambiatori di calore,

foil domestico1070 Metallo molto puro, con eccellente Illuminotecnica,1080 resistenza alla corrosione, ottima decorazioni, industria1085 stampabilità, ottimo per anodizzazione chimico-alimentare3003 Leghe al manganese con buona resistenza Pentolame, radiatori per3103 alla corrosione, buona formabilità e auto, scambiatori di3105 caratteristiche meccaniche superiori calore, pannelli tetti,3004 all‟alluminio non legato facciate, tapparelle,3005 controsoffitti,

segnaletica, lattinescatolame e tappi

40064917

Leghe al silicio idonee alla smaltatura pentolame

5005 Leghe al magnesio con particolari Carpenteria, trasporti5049 caratteristiche meccaniche, buona terrestri e navali,5052 plasticità allo stato ricotto, ma che recipienti in pressione,5086 induriscono molto rapidamente se tubi, fregi per auto,5754 incrudite e arrivano a livelli molto elevati imballaggi di profumeria5657 (5657), industria

alimentare (scatolette)8006 Lega ferro-manganese molto formabile Foglio domestico

resistente, alette perscambiatori di

8011 Leghe ferro-silicio molto formabile Contenitori semirigidi,

8079 tappi per imballaggi dialimenti, capsule



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Effetto degli elementi nelle leghe d’Alluminio. Si

Forte rafforzamento da seconda fase non metallica, richiede una sferoidizzazione tramite Na perevitare usura eccessiva degli utensili.Cu

Migliora le caratteristiche da fonderia, aumentando colabilità e diminuendo l‟affinità con O2; provoca

un rafforzamento tramite composto intermetallico.Mg

Aggiunto in lega non modifica la bassa densità e aumenta la res.corrosione in ambienti clorurati;amplia la fase alpha dell‟Al. Abbassa la Tf ma aumenta l‟affinità con O2 già elevata. Mn & Zn

Hanno un effetto analogo, ovvero causano un fortissimo rafforzamento per incrudimento postdeformazione plastica a freddo.



216

RAME e LEGHE di RAME http://it.wikipedia.org/wiki/Ottone_%28lega%29 e http://it.wikipedia.org/wiki/Bronzo

http://www.ing.unitn.it/~colombo/RAME_E_SUE_LEGHE/Leghe_di_Cu.htm

Caratteristiche Il rame è un metallo nobile (poco attivo) in quanto tra quelli che studiamo è

generali l‟unico di impiego applicativo che, nella serie elettrochimica degli elementi, sia dallato opposto dell‟idrogeno rispetto agli altri metalli. Ciò che rende il Cu

particolarmente interessante dal punto di vista applicativo è la resistenza allacorrosione anche in ambienti particolarmente aggressivi. Inoltre il Cu ha reticolocristallino cubico a facce centrate (CFC), pertanto è caratterizzato da una spiccatatendenza all‟incrudimento; la sua temperatura di fusione, relativamente bassa, è1080°C che lo rende particolarmente adatto alla produzione di pezzi tramitetecniche di fonderia; infine e la sua densità 8,9 kg/dm3.

Se assumo che il Cu sia il termine di paragone per una scala delle conducibilitàelettriche, ed attribuisco 100 ad esso, all‟Ag compete 106, all‟Au 76, all‟Al 62 ed

agli acciai valori tra 13 e 17. Nel rapporto conducibilità prezzo la situazione piùvantaggiosa la si ha con il Cu. In certe applicazioni è però preferibile utilizzarel‟Al. La densità dell‟Al è di 2.7 g/cm3, mentre quella del Cu è 8.9 g/cm3; laconducibilità elettrica dell‟Al è circa la metà di quella del Cu. Per avere dunque inun conduttore di Al lo stesso passaggio di corrente che ho in un conduttore di Cudovrò raddoppiarne la sezione di passaggio, guadagnando però ancora in termini di

peso. Ciò può apparire di scarsa importanza in impianti elettrici di tipo domestico,ma è fondamentale nelle condutture di potenza. L‟Au è un materiale molto piùcostoso che viene utilizzato ad esempio in contatti elettrici dove non intendo avere

una variazione della resistenza in conseguenza di fenomeni di ossidazione.

http://it.wikipedia.org/wiki/Ottone_%28lega%29


http://it.wikipedia.org/wiki/Bronzo









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Elemento Conducibilità elettrica densitàCu 100 8,9Ag 106 10,49Au 76 19,3

Al 62 2,7Fe 17 7,87

Per valutare il grado di purezza del rame è necessario considerare il seguentegrafico, che mette in evidenza la connessione tra rapporto conducibilità elettricadella lega e quella del Cu al variare della percentuale di elementi aggiunti O, P,

Fe, Ag:

lega

/Cu

O P Fe

Ag

% elementi aggiunti

La purezza del rame viene quindi maggiormente influenzata dall‟ossigenosuccessivamente dal fosforo e per ultimi, e in minor misura, dal ferro e argento.Gli effetti di influenza di questi elementi sono tre e si sovrappongono:

Effetto sterico: dovuto al differente raggio atomico degli elementi; Effetto di conducibilità propria: propria di ognuno di questi elementi che

va a contrastare quella del rame; Effetto di elettronegatività: per giustificare l‟elevato effetto sulla



218

conducibilità di O e P, che limitano la mobilità degli e- nel reticolo inquanto sono molto elettron-attrattori

Se drogo la lega con Ag, inserisco nel reticolo un elemento che è unottimo conduttore, per cui la della lega crescerà di poco (la crescita èimputabile al fatto che un qualsiasi elemento estraneo al reticolo in cui si

trova ne determina una deformazione). Se il drogaggio è effettuato con Oo P l‟ef fetto è notevolmente superiore: questi elementi hanno dimensioniatomiche notevolmente diverse da quelle degli atomi del reticolo in cuientrano ed hanno inoltre una valenza molto diversa (O e P hanno uneffetto di attrazione sugli elettroni).

Il Cu per applicazioni elettrotecniche è molto importante in quanto per via dellasua ottima conducibilità e della bassa temperatura di fusione permette di creare

buone giunzioni tra i componenti, per tale applicazione deve esseremoderatamente alligato con P; questo elemento, infatti, ha, rispetto al Cu,un‟enor me affinità con l‟O, per cui tende a segregare sotto forma di inclusionifosforiche; queste hanno la fortunata proprietà di non essere bassofondenti.

L‟inclusione costituisce un minore ostacolo al passaggio della corrente elettrica poiché ne riduce pochissimo la sezione di passaggio.



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Il Cu deve trattenere solo una modesta percentuale di O in quanto esso, legandosi a Fe,Al... ne comporta la segregazione sotto forma di ossidi, riducendo così l‟ef fettodistorcente determinato da queste impurezze in soluzione solida. L‟O non deve esserecomunque in quantità tali da deprimere la conducibilità elettrica.

Il Cu trova inoltre interessanti applicazioni in virtù della sua conducibilità termica eallungamento percentuale; per questo motivo in Cu sono realizzate le tubazioni destinatead applicazioni termo-sanitarie. In questo caso è meglio realizzare la tubazione in Cu

piuttosto che in acciaio poiché migliore è la resistenza alla corrosione, migliore è iltrasporto del calore e meno impegnativa e la deformazione delle tubature (anche sul

posto) per creare raccordi. Molte volte infatti le tubazioni sono a contatto con delgesso (utilizzato come legante in quanto fa presa più rapidamente di altri); esso puòidrolizzarsi dando H2SO4, acido che attacca l‟acciaio ma non il Cu (elemento che,come è noto, reagisce solo con acidi con proprietà ossidanti, tipo HNO3).

Il Cu ha una struttura cristallina CFC, quindi allo stato ricotto presenta allungamenti percentuali dell‟or dine del 50% (come per Al o per gli inox austenitici); il Cu è inoltrerafforzabile per incrudimento, pur presentando di per sé delle caratteristiche meccanicheabbastanza buone. Il Cu ricotto ha resistenze meccaniche di circa 250 MPa, un valoreche può crescere a 350 MPa a causa dei fenomeni di incrudimento (conseguentementel‟allungamento scende al 2-3%). Nel caso dei tubi il materiale è venduto allo statoleggermente incrudito: mi interessa infatti che il materiale abbia buone caratteristiche diduttilità. Nel caso delle grondaie o delle coperture dei tetti interessa invece un Cu con unamaggiore rigidità.

Dal punto di vista della saldabilità il Cu è un metallo con una modesta affinità per l‟O2,quindi facilmente saldabile. Nel processo di saldatura si deve operare con potenzerelativamente elevate, per le significative dispersioni di calore comportate dall‟elevataconducibilità termica. La saldatura di particolari strutturali si esegue mediante labrasatura: effettuo la giunzione di due elementi tramite l‟utilizzazione di un metallo

bassofondente. Si utilizza in questo caso lo Sn, bassofondente e con un‟elevata affinità per il Cu, per cui il legame tra i pezzi da saldare sarà anche di tipo chimico.

Dal punto di vista della resistenza alla corrosione il Cu presenta una netta tendenza alla passivazione spontanea, con la formazione di strati ossidati anche di un certo pregioestetico. Problematica in questo senso è la presenza del Cu in ambienti ammoniacali, doveil Cu tende a solubilizzarsi attraverso la formazione di complessi cuproammoniacali.

Bisogna però distinguere i vari casi, in quanto l‟utilizzo o meno di un materiale dipendesempre dal tipo di applicazione e dalla situazione in cui ci si trova, ad esempio: se devotrasportare un flusso elettrico, la sezione di un cavo in alluminio dovrà necessariamenteessere doppia rispetto a quella di un cavo in rame in quanto la conducibilità dell‟alluminioè la metà di quella del rame, quindi il cavo di alluminio avrà massa minore masezione/volume maggiore. In un‟ applicazione reale devo vedere se il volume èdeterminante oppure se lo è la massa; di solito negli impianti elettrici domestici si utilizzacavi in rame dato il loro rapporto elevato conducibilità su sezione, viceversa per trasportarecorrente con cavi aerei utilizzerò l‟alluminio per via della sua leggerezza.



220

Problema dell’ossigeno

Il problema fondamentale è la presenza dell‟ossigeno che compromette notevolmente laconducibilità del rame.Purtroppo è un problema che non si può risolvere del tutto, questo perché è impossibile avere

gradi di purezza elevatissimi dall‟ossigeno; situazione che si nota facilmente dal diagramma distato Cu-O:

1083°C

1065°C

+ l

+ Cu2O

l + Cu2O

Cu 0,0036% 0,39% O

L‟O si scioglie molto poco nel Cu poiché il Cu tende a stabilire con l‟O dei legamidi tipo ionico. L‟eutettico si colloca a relativamente bassi contenuti di O;l‟eutettico fa sì che ad una temperatura abbastanza vicina a quella di fusione del

Cu si abbia la tendenza alla segregazione tra i cristalli di alfa di un liquido dicomposizione eutettica dalla cui cristallizzazione viene segregato l‟ossidulo. Iliquidi a bordo grano tendono a disporsi in dipendenza della tensione superficiale;Cu2O ha una bassissima tensione superficiale, per cui tende a disporsi come unvelo più o meno uniforme tra i cristalli di alfa. In conseguenza di ciò il materiale

presenterà una notevole fragilità a caldo ed una netta riduzione della conducibilitàelettrica. Esaminiamo in dettaglio in che cosa consistano i due fenomeni.Si osserva la formazione di Cu2O + , a partire da liquido, anche con percentuali

bassissime di O (da 0,0036% in poi); normalmente nel rame si ha lo 0,1-0,2% diO, quindi una formazione notevole di ossido rameoso. Ciò ci fa capire quanto rechidanno la presenza di ossigeno in quanto l‟ossido rameoso si solidifica in un filmcristallino, agendo così da isolante nella matrice interrompe la continuità diconduzione.

Cu2O

Corrente



221

Il liquido da cui si forma l‟ossido è quello della zona bifasica + L, quindi è riccodi ossigeno e interdendritico. Essendo interdendritico andrà ad avvolgere tutti igrani che si formeranno, comportandosi da isolante e pertanto interrompendo ilflusso elettrico generato da una differenza di potenziale; inoltre indurrà anche una

fragilità a caldo del materiale. Per quanto riguarda la resistenza a caldo, allatemperatura a cui viene laminato, il Cu può produrre la formazione di un liquidointergranulare che provoca lo scorrimento relativo dei bordi di grano senza che siabbia un processo di deformazione plastica, dopo che il materiale ha ceduto; lafrattura risulta completamente di tipo intergranulare, senza deformazione plastica.Tutto quanto è stato detto genera anche un problema nella saldatura (che si svolgein ambiente parzialmente riducente), ovvero con la presenza della fiamma inambiente con difetto di ossigeno l‟idrogeno si lega con l‟ossidulo generando Cu +vapore acqueo, che è esplosivo. L‟ambiente di saldatura è generalmenteriducente (per far sì che il bagno di saldatura non sia ossidativo), per cui siavranno tracce di H2. Ciò potrebbe innescare la reazione

Cu2O + H2 2Cu + H2O

Il vapor d‟acqua è prodotto dove vi era il Cu2O, cioè a bordo grano; essoincontrerà una notevole difficoltà a fuoriuscire dalla matrice, per cui il metallosaldato cede per rotture di tipo fragile. Una cosa analoga accade con gli acciai,dove il Fe tende a solubilizzare l‟H2 nello stesso modo in cui fa il Cu, soprattuttonella ZTA dove la temperatura è maggiore. Se saldo con Sn la ZTA raggiungetemperature di 200-250°C per cui la reazione considerata in precedenza nonavviene (lavoro a temperature superiori solo nelle applicazioni di potenza).Oppure per evitare queste situazioni indesiderate un‟altra soluzione è aggiungere

un elemento con più affinità del Cu per l‟O; a questo scopo si introduce nel bagnoil fosforo. P a contatto con O forma anidride fosforica un inclusione non dannosa.

Da ciò dovrebbe essere evidente la necessità di procedere alla disossidazione delCu. Per conseguire questo fine si può ricorrere a dei processi di riduzione inforno, il più noto dei quali è il processo di pinaggio: si prendono dei tronchid‟albero e li si immerge nel bagno; la resina, bruciando in difetto di aria,costruisce l‟ambiente riducente che consente l‟allontanamento dell‟O2 dal

bagno. Il Cu così ottenuto ha una purezza del 99.0%, del tutto insufficiente perle applicazioni di tipo elettrotecnico in cui la purezza richiesta è del 99.9%. Perconseguire questo valore si ricorre ad una purificazione elettrochimica; si può

operare nel modo seguente: prendo un recipiente in cui metto una soluzionemediamente concentrata di H2SO4. Da un lato collego un anodo di Cu impuro edall‟altro si fa crescere un catodo di Cu puro grazie al f atto che dall‟esterno

applico una differenza di potenziale tale che si abbiano le seguenti reazioni:

anodo: si sciolgono tutti i metalli non nobili, tipo Cu (Cu Cu++ + 2e),

Fe, Al... mentre Ag, Au, Pt non si sciolgono e vanno a costituire icosiddetti fanghi anodici;

catodo: migrano qui tutti gli ioni positivi ma si scaricano prevalentemente gli ioni Cu++ sia perché sono gli ioni più nobili tra quelli

positivi, sia perché sono la specie prevalente: Cu++

+ 2e Cu.



222

In questo modo si ottiene un catodo di Cu purificato dalle impurezze; la spesaeconomica è inoltre contenuta in quanto l‟unica caduta di potenzialesignificativa è quella all‟interno della soluzione (per questo motivo occorrefornire tensione dall‟esterno per avviare la reazione).

Se sull‟anodo ci fossero anche metalli più nobili (Au, Ag, Pt), si troverebbero afine processo sul fondo della cella, sotto forma di fango anodico. Con questo procedimento si ottiene Cu 99,99%, perfetto per usi elettrotecnici , e il poco Orimasto si „annulla‟ con P.



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OTTONI (brass)

Gli ottoni sono leghe di rame e zinco (Cu-Zn).Queste leghe possiedono un ampissimo campo di soluzione solida, in quanto Cu eZn si trovano nella posizione 29 e 30 della tavola periodica, pertanto risultanoessere molto affini. Inoltre il campo di soluzione solida è poco variabile con latemperatura. È palese inoltre come all‟aumentare della concentrazione di Zn

diminuisca la temperatura di fusione della lega, di conseguenza avremo che leleghe da fonderia saranno quelle a più elevato tenore di Zn, tuttavia il tenore maxriscontrato nelle leghe sarà del 50 %. Le applicazioni degli ottoni sono vaste,anche grazie ad un‟ottima resistenza alla corrosione e ad un notevole effetto

antibatterico grazie al Cu.Gli ottoni di suddividono in monofasici e bifasici, il nome fa intendere che nei

primi sarà presente una sola fase allo stato solido, mentre nei secondi se ne presenterà anche una seconda.

Gli ottoni monofasici o del primo titolo :Sono leghe che presentano tenori di Zn variabili, dal 10% al valore max del

39% circa (abbassa molto la Tf del Cu e consente di ottenere leghe pococostose), sono leghe eccezionali sia da fonderia che da deformazione plastica acaldo e a freddo; la matrice sarà totalmente formata dalla fase alpha la quale

presenta un reticolo CFC, dunque sarà la fase tenacizzante che permette ladeformazione a freddo caratteristica degli ottoni.Esistono tre grandi famiglie di ottoni monofasici:

RED BRASS (leghe a più alto titolo): composte per il 10% da zinco (es.OT 90 al 90% di Cu, un indicazione più corretta sarebbe Cu-Zn 10); hannouna caratteristica peculiare in quanto possiedono un coefficiente didilatazione simile agli smalti ceramici e quindi sono utilizzati nellagioielleria come supporti per gioielli smaltati;

LOW BRASS: sono leghe composte per il 20% da Zn (es. OT 80, ovveroCu-Zn 20); è un tipo di ottone più giallo e viene utilizzato ad esempio perla fabbricazione di strumenti musicali a fiato (grazie all‟elevato tenore diZn, il quale aumenta considerevolmente la densità, questa lega riesce asmorzare le vibrazioni secondarie le quali disturberebbero la purezza delsuono, come il piombo). Sono caratterizzati da un elevata resistenza allacorrosione ed una notevole deformabilità plastica;

YELLOW BRASS: leghe con il 35% di Zn (es. OT 70); sono le legheusate molto per l‟idraulica (ru binetteria), modellate anche per stampaggio afreddo.

Ottoni bifasici o del secondo titolo:caratterizzati dal contenuto di Zn superiore al 39% (es. OT 60); essi presentanouna struttura bif asica, quindi un‟ottima resistenza meccanica accoppiata ad unacerta fragilità del truciolo indotta dalla presenza della seconda fase. Sono adattialla lavorazione per asportazione di truciolo e stampaggio a caldo. Viene quindirichiesta una lavorabilità migliorata, che si ottiene aggiungendo alla lega l‟1,5-2%di Pb, il quale è insolubile nella lega, che formando segregazioni facilita la rotturadel truciolo, esattamente come negli acciai. Un esempio di tale lega è l‟OT 58 Pb(Cu-Zn-Pb 40-2), questa però non può essere lavorata a caldo perché si avrebbesicuramente la fusione del piombo.



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Low brass in music instruments

One interesting difference between a woodwind instrument and a brassinstrument is that woodwind instruments are non-directional.

This means that the sound produced propagates in all directions withapproximately equal volume. Brass instruments, on the other hand, are highlydirectional, with most of the sound produced traveling straight outward fromthe bell. This difference makes it significantly more difficult to record a brassinstrument accurately. It also plays a major role in some performancesituations, such as in marching bands.

Materials (CuZn19Sn) Brass instruments are made of a lacquered or plated metal.Traditionally the instruments are normally made of brass,

polished and then lacquered to prevent corrosion.

Some higher quality and higher cost instruments use gold or silver platingto prevent corrosion. A few specialty instruments are made from wood.Alternatives to brass include other alloys containing significant amountsof copper or silver. These alloys are biostatic due to the oligodynamic effect,and thus suppress growth of molds, fungi or bacteria.Brass instruments constructed from stainless steel or aluminum have goodsound quality

but are rapidly colonized by microorganisms and become unpleasant to play.

Most higher quality instruments are designed to prevent or reducegalvanic corrosion between any steel in the valves and springs,and the brass of the tubing. This may take the form of desiccant design,to keep the valves dry, sacrificial zincs, replaceable valve cores and springs,

plastic insulating washers, or non-conductive or noble materials for the valvecores and springs. Some instruments use several such features.



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Analizziamo il diagramma di state Cu-Zn, limitando lo studio fino al 50% in peso di Zn inlega, ovviamente concentrazioni superiori non sono di interesse tecnologico poiché si avrebbeun infragilimento troppo elevato ed una perdita eccessiva della deformazione a caldo o afreddo. Notiamo subito il grande campo d‟esistenza della soluzione solida il quale terminaal 39% circa di Zn in lega, quindi le leghe monofasiche come detto prima avranno al max taleconcentrazione di Zn per preservare le caratteristiche di deformabilità e lavorabilità.Altra peculiare caratteristica del DS è l‟assenza di trasformazioni eutettiche, questo vuol dire

che il primo solido che si viene a formare dal bagno di fusione sarà diverso dal solido ottenuto

a temperatura ambiente. Nella cella elementare cubica il rapporto degli atomi di Zn con quellidi Cu è di 1:1.Dal 39% di Zn in poi, segrega una nuova fase con un reticolo CCC e non più CFC, tale fase è‟ la quale essendo una fase indeformabile ha un effetto infragilente sulla struttura marinforzante con una conseguente diminuzione della lavorabilità a freddo in compenso avremoun miglioramento delle caratteristiche tensili ed il mantenimento della lavorabilità a caldo.Aumentando la temperatura, verso la zona di ricristallizzazione segregherà invece la fase simile alla sua controparte a basse temperatura ma caratterizzata da una scarsa regolaritàdella disposizione dei piani atomici di Cu & Zn, ciò ovviamente si ripercuoterà sulla

prestazione della lega, portandoci a considerare la fase come una fase del tutto indesiderata,

ma molto probabile da ottenere superati i 454° C; tuttavia essa puo‟ essere eliminata tramiteun semplice trattamento di ricottura, infatti la fase può trasformarsi in alpha o in beta primoin funzione della velocità di raffreddamento, alte velocità di raffreddamento portano allatrasformazione del reticolo nella fase alpha, mentre raffreddamenti lenti portano allaformazione di ‟.

HOT WORKING ZONE

RICRISTALLIZZAZIONE

STRESS

RELIEVING

ZONE

CFC

CCC



226

Le caratteristiche meccaniche degli ottoni sono quindi influenzatedall‟aumentare del tenore di Zn in lega; se riporto come varia la resistenza infunzione del tenore di Zn osservo che al crescere di Zn in si ha un modestorafforzamento da soluzione solida. Un rafforzamento più deciso si ha quando lastruttura passa da ad +‟.

Superato il 39% di Zn mi precipita l‟intermetallico il quale mi nega la possibilità di lavorazione plastica a freddo. Pertanto per produrre ottoni del Ititolo si ha il limite teorico del 39 % di Zn; se però riscaldo una lega al 39% diZn a temperature di circa 800°C entro nel campo bifasico + ‟ e per un

raffreddamento non troppo lento subirei un fenomeno di disequilibrio per ilquale ‟ non scomparirebbe e, arrivati a temperature dell‟or dine dei 750 °C, il si trasformerebbe in beta primo. Si tratta di conseguenza di un materiale piùdifficilmente deformabile plasticamente a freddo. Per ottoni del tipo OT 65 sideve quindi prevedere un trattamento di ricottura per eliminare la fase ‟ che

potrebbe essersi formata in condizioni di non equilibrio.

Per quanto riguarda la resistenza alla corrosione sono leghe resistenti ad ambienticlorurati con l‟aggiunta dell‟1% di Sn, con tale aggiunta vengono denominati„ottoni ammiragliati‟. In generale però sono suscettibili a due forme di corrosione:

la dezincificazione e la SCC (corrosione sotto sforzo).La dezincificazione è un tipo di corrosione selettiva che si può suddividere in trestadi:

1) nell‟ambiente aggressivo l‟ottone passa in soluzione, quindi Cu e Znsono ossidati rispettivamente a Cu++ e Zn++ ;

2) appena si formano gli ioni di Cu e Zn il Cu++ „riacquista‟ gli elettroni persi durante la reazione anodica e si deposita sotto forma metallica (Cu)sulla superficie, mentre lo Zn passa ulteriormente in soluzione;

3)

il processo si ripete sino a conseguire un provino completamente dezincificato.Se interrompo prima il processo otterrò un provino che internamente sarà



227

costituito da ottone e sulla superficie presenterà uno strato di Cu spugnoso.

Il secondo fenomeno è molto simile alla SCC; per caso è stato scoperto, durantel‟occu pazione inglese in india, che i proiettili, formati nel bossolo da ottone,

venivano aggrediti da una soluzione di ammoniaca (proveniente dall‟urina)formando un sale cuproamminiacale. Questi proiettili successivamentevenivano utilizzati, ma una volta aperto il fuoco esplodevano all‟inter no dellacanna del fucile, perché erano precriccati. Quindi in situazioni simili ocomunque di rame a contatto con ammoniaca si è dovuto sostituire lo zinco conun metallo molto più passivabile: l‟Al, resistente all‟aggressionedell‟ammoniaca. L‟accoppiata Cu-Al è perfetta in quanto anche i raggi atomicisono simili. http://en.wikipedia.org/wiki/Crevice_corrosion

Il diagramma di stato Cu-Al ha un campo monofasico alfa molto simile aquello presentato dallo Cu-Zn, con l‟unica differenza rappresentata dal limite

di solubilità dell‟(circa 8.5%). Vengono sostituiti gli ottoni con queste leghedenominati „ bronzi‟ anche in ambienti clorurati, come ad esempio in mare nelleeliche delle navi. In particolare le leghe Cu-Al appartengono alla categoriadei bronzi; i bronzi di Al sono più simili agli ottoni che ai bronzi. Il sistemaCu-Al presenta una fase di alta temperatura analoga a quella del sistema Cu-Zn, salvo che questa è sottomettibile a tempra martensitica. I bronzi all‟Al del II titolo sono dunque rafforzabili per tempra martensitica (seguitaovviamente da un rinvenimento); il problema connesso a questo materiale èche in esso lo Zn, elemento relativamente facile da usarsi in fonderia, èsostituito con Al, elemento che ha una maggiore tendenza ad ossidarsi.

http://en.wikipedia.org/wiki/Crevice_corrosion






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TEST ERICHSEN

La prova di imbutitura (metodo Erichsen) è quell'operazione tramite cuiuna lamiera metallica piana è costretta ad assumere una certa forma,

sfruttando la sua capacità a lasciarsi deformare permanentemente a freddo.Tale prova, che è molto importante per poter valutare la plasticità di unmateriale, consiste nel determinare la profondità h che è raggiunta da unalamiera di spessore s, all'apparire della prima fessura, quando viene spinta daun punzone di acciaio duro (P), in un foro a sezione circolare . Dalla frecciah si rileva la maggiore o minore plasticità di un materiale, proprietà che è difondamentale importanza nelle operazioni di stampaggio a freddo.

La curva si appiattisce perché la deformazione interessa solo e sempre una zonadella lamiera, che diminuisce costantemente di spessore; in questo modo la

plasticizzazione riguarda sempre meno materiale.

Mentre il punzone scende, la zona più facilmente deformabile sarà il centro delgrano, mentre il bordo di grano fa più resistenza per via della grandeconcentrazione di dislocazioni.Il risultato è una superficie molto rugosa e perciò difficile da verniciare, perciòl‟imbutitura è un processo in cui è opportuno lavorare con strutture a grani fini, al

prezzo tuttavia, di una diminuzione di h.



229

BRONZI Tutte le leghe composte da Cu ed un altro elemento (che non sia lo Zn) vengonodenominate bronzi. I bronzi sono simili agli ottoni per caratteristichemetallurgiche, perché possiedono un campo poco variabile rispetto allatemperatura.

Non si usano solo bronzi all‟alluminio, in quanto l‟alluminio è fortementeossidabile, quindi molto più difficile da lavorare in fonderia, ciò mi comportaquindi un costo maggiore. Un bronzo eccellente è Cu-Sn. Lo stagno è un metallo

basso fondente percui abbassa fortemente la temperatura di fusione del Cu ed è unsostituente migliorativo nella formazione di getti perché aumenta la colabilità dellalega.Di bronzi allo stagno ne esistono due classi fondamentali:

Sn = 10% Sn = 20-25% (per getti complessi)

Per poter fare alcune considerazioni è utile osservare il diagramma di stato Cu-Sn:

L‟intervallo di solidificazione è molto ampio: dal punto di vista delle attività difonderia sarebbero quindi indicate le leghe con un tenore di Sn superiore al 25%,altrimenti si incorrerebbe nella possibilità di avere la formazione di liquidiinterdendritici ad elevatissimo contenuto di Sn. Di solito, per motivi economici,si usano tenori più bassi di Sn.

Alla temperatura di 350°C si presenta l‟eutettoide + ; dopo questatemperatura, al raffreddamento, il campo di stabilità di tende a chiudersi moltorapidamente, arrivando ad una solubilità nulla dello Sn nel Cu a temperature dicirca 200°C. Al procedere del raffreddamento tende a decomporsi dando

origine ad via via meno ricco di Sn ed a , sino a quando non contiene piùalcuna traccia di Sn. Date le bassissime temperature alle quali queste reazioni



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hanno luogo, è ragionevole ritenere che esse, per decorrere completamente,richiedano tempi estremamente lunghi e che quindi difficilmente potranno avereluogo le trasformazioni previste dal diagramma di stato. Indico questo fatto conuna linea tratteggiata al di sotto dei 350°C: a partire da questa temperatura da non riesce più a segregarsi per cui posso portare a temperatura ambiente la

fase sovrassatura di Sn. Questi bronzi, a basso tenore di Sn, possono essereutilizzati come leghe da deformazione plastica, dal momento che la loro strutturaè CFC e che quindi sono rafforzabili per incrudimento.

L‟utilizzo più frequente del bronzo nell‟industria meccanica è dovuto al fattoche la lega in questione appartiene alla categoria dei materiali antifrizione; perquesto motivo esso è il costituente principale delle bronzine. Esse sono organicon tre caratteristiche fondamentali:

1) basso coefficiente di attrito

2)

buona resistenza ad usura

3) bassa temperatura di fusione

(chiaramente queste caratteristiche devono essere confrontate con quelle deimateriali costituenti la macchina di cui la bronzina fa parte, ad esempio con le

proprietà tipiche degli organi costituenti il motore). Fondamentale è che la bronzina sia costituita da un materiale con un basso coefficiente di attrito: la bronzina interviene infatti quando il motore funziona in assenza di lubrificanteo a regimi troppo elevati (la bronzina deve resistere ad elevati attriti volventi

per tempi sufficientemente lunghi). Il basso coefficiente di attrito viene indotto

dalla matrice di Cu, piuttosto „tenera‟; la resistenza all‟usura è decisamentemigliorata dal fatto che nella matrice tenera sia segregata una certa quantità dicomposti intermetallici tipo ed (sono composti a ristretto campo diesistenza, quindi danno vita a particelle con particolari caratteristiche diindeformabilità). Un altro esempio di materiale antifrizione è costituito dallalega Pb/Sn/Sb: si tratta di tre metalli a bassa temperatura di fusione, con uncoefficiente di attrito inferiore a quello caratteristico delle leghe del Cu; la legaPb/Sn/Sb ha però una minore resistenza all‟usura in quanto la sua matrice è più„tenera‟ di quella caratteristica dei bronzi. Una importante conseguenza del fattoche i bronzi possiedono un basso coefficiente di attrito è che essi sono lavorabiliall‟utensile. I bronzi sono rettificabili se hanno subito processi di incrudimentoo di precipitazione di composti intermetallici; in caso contrario, se costituitidalla sola matrice , vanno ad impastare la mola.

Un caso particolare di applicazione sono i bronzi per fonderia artistica/meccanica:questi sono caratterizzati da matrice CFC, con fase epsilon rafforzante, permigliorare la resistenza all‟usura e le prestazioni tensili, inoltre questi bronzi nonsuperano il 25% di legante, per il semplice fatto che a tenori elevati di stagno lasegregazione iniziale, di fasi più ricche di Cu, porterebbe alla formazione di fasiinterstiziali rosse le quali, da un punto di vista estetico, risulterebbero inadatte; unesempio di applicazione è per le campane.



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Un altro tipo di bronzi sono quelli al Ni:

I quali, da come mostrato nel diagramma di stato, sono monofasici e cristallizzanoentrambi nel sistema CFC, sono quindi adatti per scambiatori di calore. La

presenza del Ni è utile in quanto rafforzante della soluzione solida, e migliorantedella passivabilità in ambienti aggressivi per il rame.Questi si dividono in:

Bronzi al Ni,sino al 15% di legante. Corrispondono a questa composizionei bronzi al Ni veri e propri, leghe cui si ricorre essenzialmente per la buonaresistenza alla corrosione in ambienti clorurati ;

Leghe Constantane: nell‟intorno del 45% di legante; utilizzate perresistenze elettriche in quanto possiedono un basso coefficiente didilatazione;

Leghe Monel: nell‟intorno del 65% di legante: prestazioni miglioratedall‟elevata temperatura di fusione ed elevata resistenza a corrosione inambienti basici, sia ad umido che a secco. Per la loro elevata temperatura difusione che induce un‟eccellente conducibilità termica, le Monel trovanoapplicazioni anche negli scambiatori di calore. Il Monel ha inoltre unastruttura CFC, quindi si caratterizza per un‟ottima deformabilità a freddo e

per una buona mandrinabilità. La lega inoltre è facilmente saldabile poichésia Ni che il Cu possiedono una modesta affinità per l‟O2.

http://query.nytimes.com/mem/archive-free/pdf?_r=1&res=9802EEDD1138E633A25751C1A96E9C946496D6CF










233

Il cancello del Teatro Regio di Torino (U. Mastroianni) è in bronzo al Be.



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LEGHE di TITANIO E MAGNESIO http://www.ing.unitn.it/~colombo/telai/approfondimenti_sul_titanio.htm

http://www.ing.unitn.it/~colombo/MOTOTITANIO/TitanioMOTO.htm

Caratteristiche Generali

Entrambi gli elementi Ti e Mg cristallizzano nel sistema esagonale compatto, il quale possiede la forma seguente:

Come sempre la cella elementare rappresenta la culla delle caratteristiche principali del nostromateriale, in questo caso la cella esagonale compatta caratterizza le leghe di magnesio e titanio perelevate resistenze meccaniche data la scarsità di piani cristallini a scorrimento facilitato; idealmente aduna cella esagonale compatta viene attribuito un rapporto tra l‟altezza c e il parametro di cella a dei lati

dell‟esagono di base, pari a 1,633 = c/a. Tale rapporto è preponderante per la previsione delle

caratteristiche che potrà avere il nostro materiale, in quanto avremo certamente dei discostamenti datale valore ideale, un rapporto reale maggiore del rapporto ideale ad esempio potrà implicare unaminor resistenza di scorrimento per i piani basali.

Leghe di titanio

Questa lega relativamente recente (30-40 anni) è stata sviluppata per ultima rispetto alle leghecomuni, perché induce difficoltà la sua affinità estrema con O2, pertanto necessita un dispendioenergetico notevole la sua produzione (possibile solo mediante riduzione dell‟ TiO2); per questimotivi non esiste tutt‟ora un valido metodo economico per la loro produzione.

Le caratteristiche generali del titanio sono le seguenti:

Rapporto c/a < 1,633 che determina una vicinanza maggiore dei piani basali, aumentando così laresistenza meccanica. L‟aumento della resistenza è dovuto al fatto che durate una sollecitazione siattivano i piani di scorrimento secondari non compatti; Temperatura di fusione = 1671°C. Questa temperatura elevata induce due limiti:l‟impossibilità di utilizzare il titanio come lega da fonderia e la scarsa propensione alla saldabilità; Elevata affinità del titanio per l‟ossigeno. In verità il Ti è estremamente attivo, però la sua forte

passivabilità lo rende altrettanto resistente alla corrosione, tanto da essere concorrenziale dei metallinobili (il Ti è ad esempio utilizzato negli anodi delle celle Cl-soda, un ambiente così aggressivo che,

prima dell‟utilizzazione di questo metallo, poteva essere tollerato unicamente dalla grafite);

Modesta densità circa 4,5 g/cm3, è un valore intermedio tra acciaio e alluminio.

Il modulo elastico è di 105 GPa (a fronte di quello dell‟Al pari a 70 GPa e di quello degli acciai, pari a 207 GPa). Alcune leghe (Ti-8Al-1Mo-1V) arrivano a 130GPa. Rapporto E/γ lievemente maggiore di quello degli acciai: stesse prestazioni tensili con

http://www.ing.unitn.it/~colombo/telai/approfondimenti_sul_titanio.htm




http://www.ing.unitn.it/~colombo/telai/approfondimenti_sul_titanio.htm



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metà sezione BiocompatibilitàA fronte di queste qualità c‟è da ricordare l‟elevato costo del titanio, che lo rende adatto adapplicazioni soprattutto nell‟industria aerospaziale, ortopedica e nell‟industria chimica.

http://www.ing.unitn.it/~colombo/Ti%20in%20auto/Relazione%20per%20web_versione_02-

07_file/Page447.htm

Il titanio puro si presenta sostanzialmente in due forme: e , la prima stabile sino a 882°Ccaratterizzata da un reticolo Esagonale Compatto è la fase rafforzante dato il basso numero di piani discorrimento basali e la seconda da 882°C a 1671°C, caratterizzata invece da un reticolo Cubico CorpoCentrato, è la fase tenacizzante dato il maggior numero di piani di scorrimento. Si comprende quindicome legando il titanio con particolari elementi che favoriscono l‟esistenza dell‟una o dell‟altra fase esottoponendolo a specifici trattamenti termici si riescano a produrre leghe con diverse quantità delledue fasi e di conseguenza proprietà differenziate.I leganti stabilizzanti sono: Al, Ga, Ge come sostituzionali ed O, N, C come interstiziali. I leganti stabilizzanti sono: Cr, Fe, Nb, Cu, Si, Ni, Mn, Pd, Mo, Ta, W, V come sostituzionali.

Osserviamo ora 3 diagrammi di stato, rispettivamente Ti-Al, Ti-Mo, Ti-V:

è evidente l‟espansione, seppur limitata, del campo di esistenza della fase .Dalla temperatura di 883°C la temperatura di trasformazione tende ad aumentare incorrispondenza di tenori crescenti di Al (l‟Al tende cioè ad ampliare il campo di stabilità della fase). Compaiono in questo sistema vari tipi di composti intermetallici, i più importanti dei quali sono

la fase (cui corrisponde una „for mula‟ TiAl3) e la fase (di formula TiAl); osserviamo che sitrasforma a 1342°C, quindi è un composto intermetallico interessante per il miglioramento dellaresistenza al creep della lega.

http://www.ing.unitn.it/~colombo/Ti%20in%20auto/Relazione%20per%20web_versione_02-07_file/Page447.htm







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Queste leghe sono caratterizzate da una buona saldabilità ed un buon comportamento meccanico adalte temperature (e quindi un‟elevata resistenza al creep), pertanto un‟ottima resistenza alladeformazione plastica, anche in virtù dei generalmente elevati contenuti di alluminio (5÷8%).Presentano come principale limite quello di non poter subire nessun tipo di trattamento termico

finalizzato ad un ulteriore miglioramento delle caratteristiche meccaniche ed una difficoltosalavorabilità a causa dell‟elevata resistenza a deformazione. Tali caratteristiche ne pregiudicanoquindi un largo impiego in applicazioni strutturali.



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A differenza del diagramma di stato Ti-Al questi due mostrano ampiamente l‟ef fetto stabilizzante del Mo e V, l‟ef fetto è dovuto al fatto che la fase beta è CCC, così come Mo eV. l‟ef fetto di questi leganti (superiore quello del Mo) è così forte da generare un isteresi (per elevato

tenore di legante), ovvero, riescono a portare a T ambiente una lega di completa fase. Le leghe presentano caratteristiche meccaniche eccellenti (le più elevate tra le leghe dititanio),non sono caratterizzate da una particolare durezza però spiccano per la loro duttilità e quindideformabilità plastica, inoltre non sono facilmente saldabili (o perlomeno non senza notevolicomplicazioni tecnologiche). Sono quindi utilizzate in applicazioni che non prevedono talelavorazione, ma che richiedono precisione dimensionale e buona finitura superficiale (bulloni, molle).

Esistono poi leghe + , queste sono le più interessanti perchè hanno maggiore deformabilità plastica, in quanto è CCC, e elevata resistenza e tenacità. Per creare leghe bifasiche di questo tipoè sufficiente aggiungere, come legante, poche quantità di beta stabilizzante. Inoltre è possibilemigliorare pezzi composti da leghe al titanio bifasiche mediante un trattamento di indurimento

superficiale ovvero l‟impiantazione ionica, il quale permette di incrementare le proprietàmeccaniche dei pezzi. L‟unico inconveniente è che a seguito di tale trattamento avremo unrigonfiamento dei pezzi solo in prossimità delle zone beta e pertanto un conseguente aumento dellarugosità dei pezzi.

http://www.youtube.com/watch?v=41yjeguApo4






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Da tale mescolanza di elementi alfa e beta stabilizzanti si ottengono quindi leghe bifasiche le qualihanno vari utlizzi; purtroppo per il loro elevato costo uno dei campi di utilizzo è quello aeronautico,si utilizza ad esempio in campo aeronautico una lega al 6% di Al ed al 4% di V; essa presenta unaresistenza meccanica di 1300 MPa. In questa lega il rafforzamento è conseguito attraversol‟incrudimento comportato dalla deformazione plastica della fase CCC e da un opportuno

trattamento termico.

Trattamenti termici di interesse per le leghe in titanio .

Uno dei principali trattamenti termici effettuati su leghe di Ti-Al-V è il seguente:Si esegue un riscaldamento inziale partendo dalla zona bifasica per rendere la fase stabile, si notiche la struttura finale del trattamento termico dipende dalla struttura di partenza sulla qualeeffettuiamo il riscaldamento. Osservando l‟immagine possiamo notare come partendo da alte

temperature si esegue un raffreddamento, il quale (se effettuato con una corretta velocità diraffreddamento tale da tagliare la curva di inizio trasformazione Ms) indurrà una trasformazionemartensitica della fase che aumenterà la concentrazione delle dislocazioni, (“affinamento del



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grano cristallino”) tuttavia porterà a prodotti diversi rispetto una classica martensite presente negliacciai. La fase „ così ottenuta è particolarmente duttile poiché, al contrario della martensite ferrosa,non contiene elementi interstiziali, ma permette comunque di avere buoni livelli di durezza. Lastruttura„ è individuata da una trasformazione senza diffusione. Per la lega al 6% di Al e 4% di V si procedead un riscaldamento a 1066°C per avere, dopo tempra, una struttura completamente martensitica; se il

preriscaldo è effettuato a 954°C si parte da una struttura bifasica + che al raffreddamento dà unastruttura +„. Se il preriscaldo è condotto sino a 843°C al raffreddamento la struttura sarà +.Successivamente all‟o perazione di tempra è possibile conseguire un rafforzamento perinvecchiamento, che indurrà una parziale decomposizione della martensite alpha e la

precipitazione di composti intermetallici che hanno l‟effetto raff orzante desiderato.Se in lega sono presenti N e C, possono formarsi TiN e TiC, composti molto stabili che riducononotevolmente la deformabilità a freddo; in questo caso si deve ricorrere a leghe tipoELI ( Extra Low Interstitial )

Si noti dall‟immagine precedente come si possono ottenere diverse strutture martensitiche in seguito ad un processo di tempra della lega, l‟ottenimento di tali strutture sarà funzione della velocità di raffreddamento del processo, oltre alla concentrazione degli elementi di lega quali alluminio e vanadio. Le differenti fasi avranno presenteranno celle elementari diverse con conseguenti caratteristiche meccaniche diverse, „ con un reticolo

EC si formerà a seguito di raffreddamenti veloci mentre la fase ” con un reticolo Ortorombico si formerà inseguito a raffreddamenti molto veloci. Si è detto che il Ti è estremamente importante in quanto consente undeciso miglioramento nelle caratteristiche di resistenza alla corrosione; questa proprietà può essereindividuata con tantissimi indici, uno dei quali è la temperatura critica di Pitting, cioè la temperatura alla

quale, in un certo ambiente, hanno inizio i fenomeni di Pitting. Nella tabella seguente si confrontano letemperature critiche di Pitting di vari materiali in una soluzione al 6% di FeCl3:

aciculari



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AISI 316 20°C22-05 40°C22-7 80°CLeghe di Ti 140°C

La seguente tabella ci fornisce molti esempi di titanio non legato e leghe di titanio (, , +) attualmente in commercio. Noi per motivi pratici analizzeremo solo quelle in grassetto, che poisono le formulazioni più comuni e utilizzate nei vari settori:

Osservando inizialmente l‟ASTM Grado 1 e Grado 2, si nota subito la presenza minima di



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tutti gli elementi di lega, in particolar modo l‟O. Questo perché tali leghe devono possederela massima tenacità possibile, e l‟ossigeno equivalente (di formula Oeq. = %O + 2%N +0,67%C) diminuisce notevolmente questa caratteristica in quanto forma ossidi di titaniomolto rafforzanti, effetto che si nota com parando l‟ASTM Grado 2 con l‟ASTM Grado 7.

Nelle leghe alfa (basso legate) come ad esempio ASTM Grado 7, 11, 12 notiamo che iltenore di elementi in lega alfa stabilizzanti aumenta leggermente. Tale aumento ci garantisce

un aumento, seppur modesto, delle caratteristiche meccaniche. In particolare è da marcare la presenza di palladio, con effetto molto tenacizzante, e nichel con effetto rafforzante.Entrambe le due tipologie di leghe sopracitate sono fondamentalmente utilizzate in campo

biomedico, bioingegneristico, per creare protesi (impianti dentali, sostituzione femore erotula) e chiodi (recupero ossa frantumate) grazie alla loro eccezionale biocompatibilità (siriducono al minimo i casi di rigetto); questi strumenti devono essere per forza molto tenaci,in quanto non devono in nessun modo frantumarsi in molto pezzi in caso di rottura.

Nelle leghe bifasiche + , analizziamo le formulazioni: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-6V-2Sn. È facile notare la presenza di elementi alfogeni e betogeni. La seconda lega èdesignata come ELI in quanto viene portato al minimo il tenore di O, così da migliorare latenacità, a discapito delle caratteristiche tensili. In generale le leghe alfa-beta vengono

utilizzate in campo aereospaziale e motociclistico, campi nei quali è appunto richiesta almateriale una certa resistenza alla deformabilità plastica.

Annealed : RicotturaSolution : Tempra di SoluzioneAge : Invecchiamento

Leghe di magnesio



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Sono esattamente l‟opposto delle leghe di titanio: ovvero il rapporto c/a > 1,633 quindi ci sarà da aspettarsi caratteristiche meccaniche basse; la temperatura di fusione di queste leghe è 650°C, fatto che determina la possibilità di lavorazione

con tecniche di fonderia; hanno densità di 1,8 g/cm3, dunque sono la risposta della metallurgia ai polimeri, sono un ottima

alternativa perché possiedono comunque resistenze maggiori. Resistenza meccanica bassissima, circa 150 MPa, simile a quella delle leghe di alluminio, conla differenza del maggio costo

Estrema reattività con l‟Ossigeno e rischio di esplosioni se non vengono prese le dovute precauzioni

Le leghe di magnesio sono rafforzabili per soluzione solida, con effetto distorcente del soluto, e peraffinamento del grano, in particolar modo le leghe electron, Mg-Al con Al = dal 5% al 9%, dal seguentediagramma di stato si può notare dove si posiziona la zona electron:



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Perché nelle leghe Electron si rimane in campo ? dal diagramma di stato è possibile vederecome il campo di stabilità della fase vari notevolmente con la temperatura; oltre il 13% diAlluminio in lega si ha la precipitazione di composti intermetallici a bordo di grano,causando fragilità dunque bassi valori di tenacità, ecco perché si tende a rimanere nel campomonofasico alpha. La tempra di soluzione serve sostanzialmente per far passare in soluzione

per l‟appunto i composti intermetallici che possono essere presenti per mirare quanto più aduna lega monofasica, tuttavia non avremo un miglioramento notevole delle caratteristichemeccaniche. Ovviamente dalle nostre conoscenze sappiamo che l‟ottenimento della legamonofasica sarà dipendente dalle dimensioni del pezzo e dalla velocità di raffreddamento.L‟invecchiamento non sarà una delle nostre prospettive migliori, in quanto non si avrà una

precipitazione di fasi metastabili tale da rendere l‟invecchiamento un investimentovantaggioso, dunque il metodo di rafforzamento della lega prediletto rimane l‟af finazionedel grano, obiettivo raggiungibile aggiungendo alla composizione della lega modestequantità di manganese Mn che migliorerà la dispersione di eventuali composti intermetallicidiminuendo la fragilità causata dalla loro presenza a bordo di grano.

Le leghe Mg/Al non sono rafforzabili per incrudimento, per via dello scorrimento sul piano basale che non produce dislocazioni.Tuttavia esiste un metodo per ottenere lamiere incrudite per deformazione plastica checonsiste nel far avanzare la lamiera sotto dei rulli paralleli ma con un percorso a zig-zag , che

produce un incrocio di dislocazioni, ossia un incrudimento.

Queste leghe sono formate per colata in forma metallica (ovvero pressocolata); devo stareattento a proteggere il Mg dal contatto con l‟aria, in quanto brucia, inoltre la forma deveessere esente dalla presenza di acqua perché il Mg esplode al contatto con questa. Ottengocon il processo di colata in forma metallica un rafforzamento gratuito, ovvero l‟af finamentodel grano, dovuto all‟elevato scambio termico tra i due metalli che aumenta enormemente la

velocità di raffreddamento.In generale le leghe di magnesio e alluminio vengono utilizzate in campo automobilistico:(ad esempio anima del volante, telaio dei sedili, sottoplancia, etc).Il Mg presenta interessanti proprietà di resistenza alla corrosione, soprattutto perché i suoistrati passivanti sono notevolmente stabili, possedendo il Mg caratteristiche essenzialmentemetalliche. Il Mg è però molto sensibile all‟azione dei clorurioni (che hanno un forte effettospassivante); inoltre, essendo un metallo molto attivo nella serie elettrochimica, patisce lacorrosione da accoppiamento galvanico (a questo proposito agiscono in modo negativo leimpurezze che causano la segregazione di fasi nobili, tipo Fe, Cu...)La soluzione al nostro problema è il processo di anodizzazione ANOMAG, il qualeconsiste nel modificare la porosità dello strato passivato, rendendolo meno suscettibileagli attacchi corrosivi in ambienti aggressivi; il processo utilizza di norma Sali di fosfatoo di ammonio, i quali rispetto ai vecchi processi di anodizzazione superficiale risultano

più efficaci e più environmental-friendly.Per ulteriori approfondimenti si consiglia di proseguire al seguente articolo di letteraturariportato di seguito:http://www.jim.or.jp/journal/e/pdf3/48/12/3101.pdf

http://www.keronite.com/test_results.asp

Un altro tipo di leghe al magnesio, concorrenziali alle leghe electron, sono caratterizzatedallo zinco come elemento principale di lega, il quale è molto affine con il Mg, in quantoanch‟esso cristallizza nel sistema esagonale compatto pertanto possiede un‟elevata solubilità

nel Mg. Queste vengono indurite tramite alliganti, con l‟aggiunta in lega di zirconio il qualeè un affinante del grano, oppure mediante soluzione solida con il Mn.Quest‟ultima tipologia di leghe al magnesio viene sfruttata per creare cerchioni di auto

http://www.jim.or.jp/journal/e/pdf3/48/12/3101.pdf








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sportive; questi pezzi vengono formati per colata in sabbia e sono utilizzate in questaapplicazione perché non si rompono se sottoposti ad urti, anche violenti.

LEGHE DI ZINCO

Commercializzate sotto il nome di leghe ZAMA o ZAMAK contenenti alluminio e rame, si prestano bene per processi di fonderia data la bassissima temperatura di fusione nell‟intorno dei 400°C, accettabile resistenza allacorrosione ed una colabilità migliorata.L‟alluminio in lega con tenori dal 5% circa al 23% circa si presta principalmente come rafforzante edindurente, mentre il rame aumenta la colabilità della lega, il che rende tali leghe adatte anche per la colata diforme molto complesse difficili da realizzare con normali processi di fonderia. La densità tuttavia maggiore di7 kg / m3 non le rende delle leghe particolarmente leggere, oltre al fatto che la tenacità non è delle migliori datoil reticolo cristallino formato da celle Esagonali compatte.

Per maggiori approfondimenti si esplorino i seguenti link :

http://www.ing.unitn.it/~colombo/ZAMAStefania%20Ceccato/sito.htm

http://www.ing.unitn.it/~colombo/ZAMASegatta/0_Indice.htm

http://www.nonsolocittanova.it/indice_zincatura_a_caldo_file/indice_zincatura_a_caldo.html












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Nel corso della deformazione divengono attivi i cosiddetti moltiplicatori didislocazioni che determinano un notevole incrudimento del materiale (primazona); successivamente all‟incrudimento inizia a sovrapporsi un secondofenomeno: con l‟incrudimento aumenta la concentrazione di dislocazioni che, alletemperature di 800-1000°C sono estremamente mobili. In conseguenza do ciò le

dislocazioni tendono a muoversi e, ricombinandosi, scompaiono (seconda zona).Il provino così sollecitato a trazione tende a diminuire la sezione resistente sino aquando inizia la strizione e ci si avvia alla rottura (terza zona). Nelle superleghe siinterviene in modo tale da avere la seconda zona, quella di creep, di lunghezza il

più elevata possibile, in modo tale che la deformazione plastica del materiale possa continuare anche per migliaia di ore senza che se ne abbia la rottura. Ilcreep è conseguente al movimento delle dislocazioni indotto dal campo termico.L‟incremento di temperatura è responsabile essenzialmente dell‟aumento dellaconcentrazione di vacanze. Queste interagiscono con le dislocazioni a bordo granodando i cosiddetti fenomeni di climb che favoriscono la ricombinazione delledislocazioni stesse. Il creep viene dunque esaltato dalla presenza dei bordi di

grano. Mentre a bassa temperatura un materiale veniva rafforzato se si conseguivauna struttura particolarmente fine, ad alta temperatura i bordi di grano sonoresponsabili del cedimento in conseguenza dello scorrimento relativo dei cristalliin assenza di deformazione plastica.Un problema di questo tipo è molto importante ad esempio nelle palette delleturbine, dove i gas caldi che impattano sulla superficie della paletta non devonoessere tali da indurre una deformazione; in questo caso l‟or ientamento dei cristalliè fondamentale per prevedere la risposta del materiale alla sollecitazione.Pertanto dobbiamo risolvere due problemi, ovvero, il prolungamento del periododi creep e la struttura cristallina ideale.Come si fa a prolungare il secondo periodo di creep? Con una precipitazioneregolare di seconda fase: nelle leghe a base Ni, (intermetallici Ni3(Al,Ti)), nelleleghe a base Co, carburi Me23C6.La forte tendenza alla passivazione e l‟ottenimento di strati passivanti moltostabili è ottenuta con elevati contenuti di Cr, Mo, V elevati che garantiscono laresistenza a ossidazione a caldo con Ni o Co come matrice.Qual è la struttura che può aumentare la resistenza al creep? Gli scorrimenti a

bordo grano ad alte temperature generano facilmente la rottura dei pezzi, atemperatura ambiente ci è sempre interessato un affinamento del grano, in questocaso invece è necessario avere un grano il più grosso possibile. La soluzionemigliore è quindi il monocristallo con una regolare precipitazione di fase

rinforzante (nel caso avessi molti bordi di grano le precipitazioni sarebberoinfragilenti).Alcuni nomi di superleghe:a base Ni (per altissime temperature):

inconel incolay udimet renè hastelloy

a base Co (per alte temperature): haynes (stelliti)

vitallium



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Ni C Fe Cr Al Mo Ti Co V W

Inconel 600 76 0.04 7 16 - - - - - -

Inconel 700 46 0.12 0.7 15 3 - 2.2 28 3 -

Incoloy 35 0.10 resto 23 0.5 - 0.5 - - -

Hastelloy B resto 0.10 6 1 - 28 - - - -

Hastelloy C resto 0.10 6 16 - 17 - - - 4

Dalla tabella si evince come in tutte le principali superleghe di Ni il tenore di C èestremamente basso: ad alte temperature infatti i carburi eventualmente presentitenderebbero a ridisciogliersi nella matrice austenitica rendendo così inattivo un

eventuale rafforzamento da carburi. Nelle superleghe si consegue il rafforzamentosoprattutto con la formazione di composti intermetallici del tipo -Ni3(Al, Ti); icomposti intermetallici ostacolano infatti il movimento delle dislocazioni. Peressere efficaci inoltre essi devono avere una modesta tendenza a ridisciogliersinella matrice e a coalescere. Nell‟Hastelloy B si ha anche un rafforzamento per laformazione di composti intermetallici a base di Mo; ciò consente inoltre unnotevole incremento dell‟indice di pitting e quindi della resistenza alla corrosione;il modesto tenore di Fe rende queste leghe anche meno sensibili ai fenomeni dicorrosione a secco. L‟Incoloy è essenzialmente una lega inossidabile austeniticarafforzata con composti intermetallici Ni/AlTi. Nell‟Hastelloy C la resistenza alcreep è conseguita con la formazione di composti intermetallici Mo-Cr-W.

http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGHE_DI_NICHEL/Cap4.htm

http://www.ing.unitn.it/~colombo/LEGHE_HASTELLOY/1stpage/1stpage.htm

LEGHE DI COBALTO Queste leghe hanno due qualità fondamentali: sono rafforzate da carburi e sono estremamenteresistenti alla corrosione, tanto che in alcuni campi sono sostitutive delle leghe auree (ad esempio, inmanbito odontoiatrico).

Sotto forma di Stellite sono usate ad alta temperatura (funghi valvola e sedi), mentre a bassatemperatura sono usate per protesi dentarie e prendono il nome di leghe vitallium.

http://www.ing.unitn.it/~colombo/Vitosnello/html/1st_page.htm











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DIAGNOSTICA DEI M ETALLIEsistono diversi metodi di controllo della qualità dei metalli, principalmente appartenenti alla brancascientifica della Metallografia, i quali ci permettono di ottenere diverse informazioni sullacostituzione e sulla specifica struttura del materiale metallico in analisi.

Principalmente, possiamo dividere il controllo del materiale in tre distinte fasi della sua vita: Controllo qualità prima della messa in opera del materiale

Controllo qualità durante la fase d‟uso Autopsia a fine vita, in seguito a sostituzioni o malfunzionamenti.

Ora un‟ulteriore suddivisione è necessaria in base al tipo di controllo da effettuare, parleremo principalmente di :

Controlli Non Distruttivi : da intendere esami e prove fisiche che non danneggino la

struttura del materiale in analisi tale da renderlo inutilizzabile, in base a ciò possiamoimmaginare come i CND si applicheranno in un controllo preventivo della fase di

utilizzo e in un controllo durante la fase di utilizzo. Controlli Distruttivi : utilizzo di tutte le tecniche a disposizione, prove meccaniche, prove ottiche etc.. senza preoccuparsi degli effetti distruttivi sul materiale, ovviamentetale tipo di controllo verrà applicato in un‟autopsia del materiale, ove è necessario

capire perfettamente cosa ha causato ad esempio una prematura degradazione del pezzo.

L‟utilità maggiore dell‟utilizzo di CND è la possibilità di prevenzione di incidenti oltre alla verificadella qualità del pezzo all‟uscita dal processo produttivo, o molte volte i CND vengono integrati nel

ciclo produttivo in modo tale da permettere uno scarto preventivo di pezzi difettati evitando lo sprecodi risorse per le seguenti fasi di produzione.

Tecniche maggiormente usate di CND sono le seguenti : Controlli Radiografici Controlli con Ultrasuoni Controlli Magnetoscopici Controlli con Liquidi Penetranti Controlli Dimensionali

Tecnica dei Liquidi Penetranti :Mette in evidenza difetti superficiali, i liquidi utilizzati sono costituiti da una soluzione di forticoloranti con una bassa tensione superficiale ed una bassa viscosità, il tutto è necessario per aumentarela profondità di penetrazione superficiale del liquido nel metallo.Successivamente alla fase di spruzzatura o immersione, il pezzo viene lavato in acqua in modo tale darimuovere il penetrante in eccesso, dopo di che grazie all‟utilizzo di una polvere assor bente vengonomessi in evidenza eventuali residui di colorante penetrato in difetti superficiali dapprima poco visibili.

I processi che utilizzano maggiormente tale controllo non distruttivo sono quei processi maggiormentevulnerabili alla microfessurazione o criccatura a causa di tensioni di tempra:Tempra Induzione, Rettifica, Raddrizzatura, Elettroerosione.



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Radiografia dei Metalli:

Si sfrutta l‟alto potere penetrante di radiazionielettromagnetiche ad alta energia quali raggi X oraggi Gamma, sostanzialmente indaga sulla densitàdel materiale e quindi la sua omogeneità nellacompattezza.Come si puo‟ notare dall‟immagine, difetti presenti

nel pezzo vengono riportati su una pellicolaradiografica che ne registr a la posizione e l‟entità; è

da notare che le dimensioni del difetto sarannotanto maggiori quanto il difetto è maggiormentevicino alla superficie, e di conseguenza

maggiormente vicino alla sorgente di radiazioni.Tale tecnica è dipendente dalle dimensioni del pezzo.



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Controlli ad Ultrasuoni

Permette un controllo al 100% delmateriale, alcune sonde poste sulmateriale trasmettono gli ultrasuoni e lestesse sonde catturano eventuali segnali

di ritorno, mentre altre sonde catturanosegnali che attraversano il pezzo inanalisi. Tale tecnica è ottima per larilevazione di porosità ed inclusioninonché una loro misura dimensionale,ad esempio su ghise sferoidali.Il metodo ad ultrasuoni è moltosensibile capace di rilevare difetti di

dimensioni inferiori al mm, puo‟ essere applicato a notevoli spessori, anche di qualche metro, data

l‟elevata penetrazione delle onde sonore, la penetrazione tuttavia è funzione della frequenza di lavoro;

alte frequenze comportano una bassa penetrazione, mentre basse frequenze un‟alta penetrazione.



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Documents

Dispense 2012-2013 Materiali Metallici