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GLI ELEMENTI NEGLI ACCIAI Negli acciai, normalmente, oltre al carbonio sono presenti tre categorie di elementi: 1.Impurezze 2.Aggiunte standard 3.Elementi.

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1 GLI ELEMENTI NEGLI ACCIAI Negli acciai, normalmente, oltre al carbonio sono presenti tre categorie di elementi: 1.Impurezze 2.Aggiunte standard 3.Elementi di lega. IMPUREZZE. ZOLFO E FOSFORO. Lo zolfo comporta linsorgere della cosìdetta fragilità a caldo, il fosforo può comportare fragilità a freddo. IDROGENO. Lidrogeno è sempre e comunque dannoso. OSSIGENO. E quasi sempre presente sotto forma di ossidi. Poco dannoso. AZOTO. Aumenta la resistenza del materiale, diminuendone tenacità e duttilità; in certi casi viene perciò aggiunto di proposito. Lazoto è causa del fenomeno dellinvecchiamento per deformazione, e quindi deve essere controllato nei materiali che devono subire deformazione a freddo.

2 AGGIUNTE STANDARD. MANGANESE. Si trova in tutti gli acciai, con pochissime eccezioni. Il motivo per cui viene aggiunto è la sua capacità di formare solfuri. Tipici tenori % (non è considerato elemento di lega per tenori inferiori all1 %). MICROALLIGANTI. Lo scopo principale dei microalliganti (Nb, Ti, Ta) è sostanzialmente quello di limitare laccrescimento del grano. (formazione carburi e nitruri fini stabili ad alta T). I più frequenti sono Nb e Ti. SILICIO E ALLUMINIO. Servono essenzialmente ad eliminare lossigeno libero (sono utilizzati negli acciai calmati): Hanno unelevata affinità con lossigeno e formano ossidi molto fini e altofondenti. Per questi scopi il Si ha tenori allincirca dello 0.3 % e lAl dello 0.06 %.

3 ELEMENTI DI LEGA Laggiunta di elementi di lega agli acciai hanno come fine quello di incrementarne i limiti resistenziali ( S e R maggiori) senza decrementare troppo la tenacità. Questo risultato è strettamente legato ai trattamenti termici prima visti: la presenza degli elementi di lega permette di realizzare trattamenti termici che altrimenti non sarebbe possibile realizzare e comunque fanno sì che i risultati siano molto più soddisfacenti, in particolare per pezzi di elevato spessore. In linea di massima, quindi, gli elementi di lega migliorano la trattabilità del pezzo. Gli elementi di lega possono poi ordinarsi in base allAFFINITA PER IL CARBONIO, ovvero alla loro tendenza a FORMARE CARBURI. N Co Al Si Fe Mn Cr Mo V Ta Nb Ti

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7 Primo gruppo: acciai designati in base alle loro caratteristiche meccaniche (sottogruppo I.1), ed in base allimpiego (sottogruppo I.2). Per questi acciai non è garantita la composizione chimica, ma solo le caratteristiche meccaniche o proprietà particolari che ne determinano limpiego. Sottogruppo 1.1 Fe 410 Pb acciaio con R = 410 MPa contenente Pb in bassi tenori; Sottogruppo 1.2 Fe P 03 acciaio in lamiera sottile per imbutitura, grado di qualità 03. Secondo gruppo: acciai designati in base alla loro composizione chimica. Messi in opera dopo un opportuno trattamento termico che ne esalta alcune caratteristiche. Due sottogruppi: acciai non legati (II.1) e acciai debolmente legati e acciai legati (II. 2). Acciai non legati (II.1) C 40 S acciaio non legato da trattamento termico con tenore medio di carbonio 0,4 % e con tenore minimo garantito di zolfo. sottogruppo II.2 : Acciai debolmente legati (II.2): tenore di ogni elemento di lega è < 5 % 18 Ni Cr 16 tenore medio di carbonio 0,18 %, tenore di nichel di circa il 4 % e con tenore di cromo inferiore e imprecisato. Acciai legati (II.2): X 10 CrNi 18 8 – acciaio legato, con tenore medio di carbonio 0,1 %, tenore di cromo di circa il 18 % e tenore di nichel di circa l8 %. CLASSIFICAZIONE DEGLI ACCIAI AL CARBONIO (UNI EU 27/77)

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18 Acciai da Costruzione per uso generale Impiego in costruzioni civili e a livello di produzione globale sono sicuramente la categoria di acciai più importante (80 % produzione totale. Messi in opera senza trattamenti termici (o, al più, dopo normalizzazione) e poco costosi. Viene di norma richiesto limite di snervamento specifico. Bassa concentrazione di carbonio, solitamente inferiore a 0,15 % a causa di una caratteristica particolarmente importante per tali acciai: la saldabilità. Durante la saldatura si raggiungono elevate temperature, tali da portare il materiale in campo austenitico. E fondamentale allora che si limiti la formazione di martensite durante il raffreddamento, fase troppo fragile per le applicazioni richieste (WELD DECAY). La formazione di martensite è determinata principalmente dalla chimica del materiale. Si utilizza allora un parametro, detto carbonio equivalente, il controllo del quale garantisce la saldabilità in sicurezza del metallo. < 0,45%

19 ACCIAI MICROLEGATI Una particolare tipologia di tali acciai che sta assumendo recentemente grande importanza è quella degli acciai microlegati, i quali contengono elementi come Ti, V e Nb che permettono un controllo delle dimensioni dei grani, promovendo pertanto un tipo di rafforzamento basato su ridotte dimensioni dei grani.

20 Acciai da bonifica Bonifica = tempra + rinvenimento (550°C 650°C). Gli acciai da bonifica ( Es: C40) hanno il migliore compromesso tra resistenza meccanica e tenacità; valori indicativi: S = MPa e R = MPa. Si possono aggiungere certi elementi di lega: Carbonio: 0,25-0,6 %. Temprabilità e durezza della martensite. Manganese: sempre presente aumenta la resistenza del materiale (per soluzione solida), controlla lo zolfo e aumenta la temprabilità dellacciaio. Cromo (1% 2%): migliora la temprabilità (sposta a destra le curve di Bain). Molibdeno (0.1 % 0.5 %): riduce il pericolo di fragilità da rinvenimento. Nichel (0.5 % 4 %): aumenta temprabilità e tenacità, dunque sarebbe bene aggiungerlo in ogni tipo di acciaio; purtroppo costa molto. Struttura sorbitica: Fe- (aciculare) + cementite (sferica). Gli acciai al carbonio si temprano in acqua o acqua agitata. Gli acciai al C + Cr si raffreddano in olio, riducendo così gradienti termici e possibilità di frattura. Acciai da costruzione e vengono impiegati in tutti i particolari altamente sollecitati (alberi a gomito, assi, strutture ad alta resistenza etc.).

21 Acciai autotempranti Sono acciai che prendono tempra in aria. Poiché laria è un mezzo raffreddante a bassa drasticità (bassa velocità di raffredamento), dobbiamo spostare a destra le curve TTT per permettere la tempra: questi acciai hanno in genere quantità elevate di elementi di lega. Un esempio è: 34 Ni Cr Mo 16 Il vantaggio di raffreddare in aria, è quello di poter temprare pezzi con forma complicata senza provocare fratture (nei pezzi di forma complicata i gradienti termici creano tensioni che nei punti angolosi raggiungono livelli molto alti). Il riscaldamento di rinvenimento viene fatto in base alle esigenze, seguendo il solito grafico. Tali acciai sono caratterizzati da un costo elevato, che ne limita limpiego in campi ristretti.

22 Acciai per molle Elevato carico di snervamento, prossimo al carico di rottura. Non ci si preoccupa quindi della tenacità. 1.Acciai non legati con lo % di carbonio. Lacciaio al C viene sottoposto ad un trattamento di patentamento (ricottura isoterma a 500°C). Successivamente si deforma plasticamente il pezzo in modo da incrudirlo. Lefficacia del trattamento dipende dallo spessore del pezzo; su un pezzo ad elevato spessore può crearsi disparità di temperatura tra cuore e superficie: più è alto lo spessore più la perlite è grossolana (almeno nel cuore). Ma lo spessore interviene anche in fase di incrudimento: tanto maggiore è lo spessore, tanto meno lincrudimento arriva al cuore del pezzo. In base allo spessore S può variare dai 3000 MPa ai 1500 MPa. Questo tipo di acciai viene utilizzato anche per realizzare fili ad alta resistenza (come ad esempio i cavi di una funivia, ecc.) 2. Acciai debolmente legati. Vengono usati quando lo spessore è molto elevato. Tempra e rinvenimento relativamente basse. Elementi di lega: Silicio (1.2% 2.2%): alza S a danno della tenacità. Nichel, Cromo: hanno lo stesso ruolo che negli acciai da bonifica. Vanadio: aumenta la resistenza.

23 Acciai per cuscinetti a rotolamento Questi materiali devono avere una buona resistenza ad usura da rotolamento, buona resistenza a fatica e buona tenacità. Il motivo è dovuto alla presenza dei carichi concentrati variabili, che causano rottura per fatica; si possono creare microcricche superficiali, la cui propagazione porta ad unusura di delaminazione, ed al distacco di scaglie di materiale; se poi il materiale non è tenace le microcricche si propagano rapidamente portando alla rottura per fatica. Queste caratteristiche vengono ottenute fornendo unottima qualità al materiale, ovvero riducendo al minimo le impurezze. Acciaio tipico di questa famiglia: 100 Cr 6. Questi materiali sono spesso ottenuti per rifusione sottovuoto: in generale si fa, come trattamento termico, una tempra con rinvenimento alle basse temperature per privilegiare la durezza ( °C). Lelevato tenore di cromo impedisce la lavorabilità dei pezzi; anche con una ricottura completa, la lavorabilità può risultare insoddisfacente. In tali casi è usuale sottoporre il pezzo anche a ricottura di sferoidizzazione, che spinge al massimo la lavorabilità.

24 Acciai per utensili Elevato tenore di elementi di lega formatori di carburi per conferire grande durezza al materiale. Due categorie: 1.acciai per le lavorazioni a freddo (cesoie, punzoni, lime, utensili manuali. Alta durezza e resistenza allusura fino a150°C. Acciai ad alto C con eventuali modeste aggiunte di Cr, Mn e V. Raggiungono il massimo grado di durezza possibile (intorno ai 66HRC) degli acciai ma se la temperatura di lavoro dellutensile sale la durezza diminuisce per il rinvenimento della martensite. 2. Acciai per le lavorazioni a caldo (acciai rapidi ). Elevati tenori di W, Cr e V (in percentuali del 18% W-4% Cr-1% V) con lo 0.8% di C e questi materiali dopo la tempra martensitica subiscono un rinvenimento a circa °C che provoca un indurimento di invecchiamento. La struttura che si viene così a creare ha elevata resistenza e durezza anche fino ai °C raggiungibili dagli utensili durante le lavorazioni meccaniche (punte di trapano, utensili da tornio, frese etc.). A volte in questi acciai viene aggiunto il Co (acciai super-rapidi) per evitare la formazione di austenite residua durante la tempra che ne comprometterebbe la durezza.

25 GHISE Tenore di carbonio superiore a 2,14 %; in pratica, percentuali di carbonio comprese fra il 3 ed il 4,5 %. Temperature di fusione comprese fra 1150 e 1300 °C e basso ritiro che conferiscono una BUONA COLABILITA. La cementite è un composto metastabile sotto 860 °C, e sotto certe circostanze può dissociarsi a dare origine a ferrite- e grafite, secondo la reazione: La tendenza a formare grafite è regolata dalla presenza di elementi di lega (grafitizzanti o meno), e dalla velocità di raffreddamento. La formazione di grafite è promossa dalla presenza di silicio (elemento grafitizzante) in concentrazioni maggiori di circa 1 % e da basse velocità di raffreddamento. Quattro categorie principali: Ghise bianche Ghise grigie Ghise nodulari Ghise malleabili.

26 Le ghise bianche Per ghise con basso contenuto di silicio e elevate velocità di raffreddamento, la maggior parte del carbonio si trova sotto forma di cementite invece che di grafite. La superficie di frattura di queste leghe ha un aspetto bianco, e pertanto sono state chiamate ghise bianche. Materiale estremamente duro e non lavorabile alle macchine utensili. Il suo utilizzo è limitato ad applicazioni che necessitano di superfici particolarmente resistenti allusura, e senza richiesta di duttilità (ad esempio come cilindri di laminazione).

27 Le ghise grigie Contenuto di carbonio fra il 2,5 e il 4 % e silicio fra l1 e il 3 %. Nella maggior parte delle ghise il carbonio si trova in forma fiocchi (simili ai corn-flakes), che sono generalmente circondati da una matrice di ferrite- o di perlite. La superficie di frattura assume un aspetto grigio. Sono le ghise più impiegate. Poco resistente e fragile per sforzi di trazione, conseguenza della sua microstruttura. Presentano un alta capacità di smorzamento vibrazionale. Elevata resistenza allusura. Alta fluidità allo temperatura di colata, che permette la realizzazione di pezzi di forma complicata. basso prezzo.

28 Le ghise sferoidali (o duttili) Aggiungendo piccole quantità di magnesio (Mg) o cerio(Ce) alla composizione di una ghisa grigia prima della colata, si formano noduli o particelle sferoidali di grafite. La fase che costituisce la matrice in cui sono immerse le particelle di grafite è perlite oppure ferrite, a seconda del trattamento termico. Le ghise sferoidali sono più resistenti e duttili delle ghise grigie e hanno caratteristiche meccaniche più simili a quelle degli acciai. Per esempio, le ghise sferoidali a matrice ferritico hanno una resistenza a trazione compresa fra 380 e 480 MPa, e un allungamento percentuale compreso fra 10 e 20 %. Le applicazioni tipiche per questi materiali includono valvole, pompe, alberi a gomito, cambi e altre componenti per automobili.

29 Le ghise MALLEABILI Ottenute dalle ghise bianche per riscaldamento a temperature dellordine di °C per un prolungato periodo di tempo e in unatmosfera neutra (in modo da prevenire la formazione di ossidi) per indurre decomposizione della cementite in grafite. La grafite risulta disposta in forme a rosetta, circondate da una matrice perlitica o ferritico, a seconda della velocità di raffreddamento finale. Microstruttura simile a quella di una ghisa sferoidale, e questo spiega la relativa elevata resistenza e la buona duttilità o malleabilità di questa ghisa. Le applicazioni principali includono bielle, ingranaggi di trasmissione, supporti del differenziale, per lindustria automobilistica, e ancora flange, raccordi per tubi, e parti di valvole per lindustria pesante, come ad esempio quella ferroviaria o marina.

30 ACCIAI INOSSIDABILI (STAINLESS STEELS, INOX)

31 INOX FERRITICI %C < 0,1% %Cr 13-26% Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilità); Mo (corrosione) ELI (Extra Low Interstitials): tenori assai bassi di C e N e con aggiunte di Mo, capaci per questo di resistenze a corrosione paragonabili agli inox austenitici. (AISI 444, noto anche come lega 18-2 (18 %Cr, 2% Mo).

32 INOX MARTENSITICI %C 0,2-1,2% %Cr 13-18% Elementi aggiuntivi: S,P (lavorabilità);

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34 Inox austenitici C<0,1% Cr= 18-24% Ni= 8-20%

35 Acciai austero-ferritici (duplex) Cr = 18-28%; Ni= 4-6% e Mo 1,5-3%

36 Acciai inox indurenti per precipitazione (PH, Precipitation Hardening) A seconda della composizione e del tipo di trattamento termico, si possono avere acciai PH con struttura: Martensitica, Austenitica, Semi-austenitica (struttura 5-20% ferrite, una frazione martensitica e il resto austenite). Ai fini delle diverse strutture possibili è essenziale il bilanciamento tra cromo (alfageno) e Ni (gammageno). Più diffusi a matrice martensitica, di maggiore resistenza meccanica. Per questi acciai si usano di norma le sigle stabilite dai produttori. I PH prodotti dalla ANCO e indicati dalla sigla 17-4 PH (1.4542) X5CrNiCuNb16.4) ; Per questo acciaio viene inserito il rame, con tenori intorno al 3,5%. In altri acciai si possono trovare niobio e spesso titanio. Il trattamento termico a cui questi acciai vengono assoggettati dipendono dalla struttura di base. I PH martensitici si rinvengono intorno a 450 °C, con formazione di particelle coerenti (intermetallici titanio-nichel oppure rame-nichel). I PH austenitici, di cui il è quello più rappresentativo, viene indurito con aggiunte di fosforo oppure, con aggiunte di Ti o Nb. In questo caso si invecchia a temperature un po più alte (intorno a 600 °C) con formazione di Ni3Ti e Ni3Al. COMPOSIZIONE CHIMICA INDICATIVA 17-4 PH C S Nb Cu Mn Cr Ni Mo Si xC

37 Lavorabilità (truciabilità) alle macchine utensili degli inox. Le lavorazioni per asportazione di truciolo prevedono luso di utensili con spigolo taglient che, premuto contro il pezzo, esercitano pressioni specifiche tali da rompere la struttura del materiale. Tre principali modalità di formazione del truciolo: 1 – truciolo continuo che scorre senza interruzioni e spesso provoca problemi di intralcio (materiali duttili); 2 – truciolo continuo con formazione tagliente di riporto con incollamento del materiale incrudito sul tagliente dellutensile. Il riporto periodicamente si distacca e si riforma, modificando la gometria dellutensile, comportando surriscaldamenti locali e cattiva finitura superficiale del pezzo; 3 – formazione di truciolo discontinuo che si allontana dalla zona di lavoro; tipico dei materiali fragili e dei materiali a lavorabilità migliorata.

38 produzione acciaio liquido

39 ALTOFORNO Flusso in controcorrente con CO e CO2 dalla combustione di aria preriscaldata. Il COKE brucia con formazione di CO2: C + O 2 CO 2 (fornisce il 56% del calore) Lanidride carbonica reagisce con leccesso di carbone: CO 2 + C 2CO – 170 kJ (24% del calore) Nella parte alta del forno la carica viene essiccata e preriscaldata; poi, man mano che scende allinterno del forno, laumento di temperatura fa sì che il gas eserciti la sua azione riducente secondo le reazioni: 3 Fe2O3+ CO 2 Fe3O4 + CO2 Fe3O4+ CO 3 FeO + CO2 FeO+ CO Fe + CO2 PRODUZIONE 1500 TONNELLATE GHISA/g

40 Principali reazioni nellaffinazione : 2(FeO)+1/2O2(g) = (Fe2O3) (Fe2O3) = 2(FeO)+[O] [Fe] + [O] = (FeO) [C] + [O] = CO(g) [Mn] + [O] = (MnO) [Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe] [Si] + 2[O] = (SiO2) 2[P] + 5 [O] = (P2O5) [S] + (CaO) = (CaS) + [O] [S] + (MnO) = (MnS) + [O] [S] + (MgO) = (MgS) + [O] Le parentesi () si riferiscono ad elementi/composti disciolti nella scoria, le parentesi [] agli elementi disciolti nel bagno metallico. Tutte le reazioni di ossidazione sono esotermiche. L' incremento della temperatura nel convertitore favorisce la fusione dei rottami di ferro (introdotti insieme alla ghisa) e mantiene la scoria fusa. CONVERTITORE AFFINAZIONE GHISA-ACCIAIO

41 COLATA CONTINUA

42 LAMINAZIONE A CALDO ED A FREDDO.

43 IL CICLO A FORNO ELETTRICO (EAF) Al ciclo integrale, si affianca un secondo ciclo di produzione dell'acciaio che si basa sull'acciaieria elettrica e vede fondamentalmente nel rottame la propria materia prima. L'acciaieria elettrica si articola intorno a tre elementi impiantistici principali: il forno elettrico, il forno siviera, i dispositivi di solidificazione che possono essere la macchina di colata continua così come la fossa di colata.

44 PRODUZIONE ACCIAI INOSSIDABILI

45 Processi produttivi degli acciai inossidabili. Elaborazione di acciai provenienti da cicli produttivi di base che partono rispettivamente da minerali ferrosi o da rottami. Nel ciclo da minerale, si parte dallaltoforno per la produzione della ghisa, si esegue una defosforazione e si opera con un convertitore con lancia di ossigeno per produrre lacciaio convenzionale, aggiungendo in questo caso leghe ferro- cromo e minerale di cromo. Si ottiene un acciaio di composizione prossima a quella voluta ad eccezione del carbonio ancora a tenori relativamente elevati. Di qui, due principali processi di elaborazione dellacciaio fuso: 1.VOD (Vacuum Oxigen Decarburization) : ossidazione sotto vuoto dellacciaio fuso, con insufflaggio di ossigeno. Lallontanamento continuo dellossido di carbonio permette di scendere a tenori di carbonio dellordine di 0,015 % ed inferiori, senza avere parallelamente ossidazione del cromo. 2.AOD (Argon Oxigen Decarburization): variante di funzionamento di un convertitore. Si insuffla una miscela di ossigeno e argon allo scopo di diluire lossido di carbonio che si sviluppa nella massa liquida. E possibile decarburare lacciaio fino a tenori molto bassi, senza ossidare sostanzialmente il cromo.

46 Gli inox sono tendenzialmente poco lavorabili alle macchine utensili rispetto agli acciai al carbonio, gli austenitici ancor meno dei ferritici e martensitici, per le seguenti ragioni: a)I carichi di rottura degli inox, anche allo stato addolcito, sono sensibilmente superiori di quelli degli acciai al carbonio nelle medesime condizioni; b)Il rapporto tra carico di rottura e carico di snervamento è più elevato negli inox che non negli acciai al carbonio nelle analoghe condizioni di ricottura; c)La tendenza allincrudimento per deformazione plastica a freddo è maggiore per gli inox e questo comporta una maggior sollecitazione sul tagliente dellutensile; d)Gli acciai martensitici ad alto carbonio (AISI 440 A/B/C) contengono unalta frazione di carburi di cromo (assai duri) che provocano rapida usura degli utensili; e)La conducibilità termica degli inox, in special modo per gli austenitici, è minore rispetto agli acciai al carbonio e questo comporta maggiori surriscaldamenti dellutensile; f)Il coefficiente di dilatazione termica degli austenitici è superiore a quello degli acciai al carbonio e cè maggior tendenza del pezzo a forzare sullutensile; g)Il truciolo prodotto risulta sovente continuo e di difficile spezzettamento.

47 Per particolari caratteristiche di purezza: VIM = Vacuum Induction Remelting, con forno a induzione sotto vuoto; VAR = Vacuum Arc Remelting, rifusione con forno ad arco sotto vuoto; EBM = Electron Beam Melting, con forno a fascio elettronico; EBR = Electron Beam Remelting, processo di rifusione a fascio elettronico; ESR = Electro Slag Remelting, ESR: processo di rifusione di lingotti di inox ottenuti in modo convenzionale, qualora si desiderino materiali a bassa densità di inclusioni non metalliche e di segregazioni. Il procedimento consiste nel rifondere il lingotto, utilizzato come elettrodo di un normale procedimento ad arco sommerso. La fusione avviene sotto protezione di una scoria basso fondente ed elettroconduttrice. Le gocce di acciaio fuso si affinano disponendosi nella sottostante lingottiera, così da riformare goccia a goccia il nuovo lingotto.

48 ACCIAI INOX RISOLFORATI

49 Tab. 3 - DESIGNAZIONE CONVENZIONALE DELLALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO Principale elemento di legaClasse secondo la Alluminium Association Al ( 99,00 %) 1 xxx Rame Manganese Silicio Magnesio Magnesio e Silicio Zinco Altri elementi Serie non usuale 2 xxx 3 xxx 4 xxx 5 xxx 6 xxx 7 xxx 8 xxx 9 xxx Leghe di alluminio: designazione

50 Tab. 4 SIGLE DEGLI STATI METALLURGICI DELLALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO SiglaStrato metallurgico FGrezzo di lavorazione ORicotto, ricristallizzato H xy (z)Incrudito H 1y (z)Incrudito H 2y (z)Incrudito e parzialmente ricotto H 3y (z)Incrudito e stabilizzato H x 9 (z) 8 (z) 6 (z) 4 (z) 2 (z) Extra-incrudimento Massimo incrudimento ¾ di incrudimento semi-incrudimento ¼ di incrudimento H xy (z)Grado di controllo della laminazione o combinazione di proprietà meccaniche W (xxh)Temprato e invecchiato naturalmente (seguito dal tempo di invecchiamento) Tx (yy)Trattato termicamente

51 Tab. 5 SIGLE DEGLI STATI METALLURGICI DELLALLUMINIO E DELLE LEGHE DI ALLUMINIO TRATTATO TERMICAMENTE Sigla Stato metallurgico T1 (yy) T2 (yy) T3 (yy) T4 (yy) T5 (yy) T6 (yy) T7 (yy) T8 (yy) T9 (yy) T10 (yy) Ricotto e invecchiato naturalmente Ricotto, incrudito e invecchiato naturalmente Temprato, incrudito e invecchiato naturalmente Temprato e invecchiato naturalmente Ricotto e invecchiato artificialmente Temprato e invecchiato artificialmente Temprato e stabilizzato per il controllo della crescita del grano Temprato, incrudito e invecchiato artificialmente Temprato, invecchiato artificialmente e incrudito Ricotto, incrudito e invecchiato artificialmente Tx (yy) Variazioni introdotte nelle condizioni usuali di lavorazione

52 Indurimento per precipitazione: Leghe SERIE 2000/6000/7000

53 Invecchiamento artificiale leghe di alluminio alto-resistenziali

54 Variazione della temperatura di invecchiamento artificiale

55 RAME. Per evitare l'infragilimento da H nel rame deossigenato, si aggiunge P. stando attenti ai tenori residui. As migliora R a T elevate Te migliora la lavorabilità 2% Be trattabile termicamente OTTONI Mediamente contengono dal 10 al 45% Zn e con varie addizioni originano una vasta gamma di leghe. Ottoni Monofasici fino al 37% Zn (in leghe binarie) + 1% Sn Lega Ammiragliato + 2% Al Ottone all'Alluminio + 1-2% Pb miglioramento lavorabilità RAME E SUE LEGHE

56 OTTONI ROSSI. Sono gli ottoni a più basso tenore di zinco ( dal 5 al 20 % ), risultano facilmente lavorabili a freddo ( la lavorabilità decresce al crescere del tenore di Zn ), hanno colore variabile dal rosso al giallo e una resistenza alla corrosione migliore degli altri ottoni essendo praticamente immuni ai problemi di dezincificazione e di season cracking, risultano però più costosi a causa dellalto contenuto di rame. Materiale Composizion e StatoR kg / mm 2 Rs kg / mm 2 A % Dorato 95 Cu 5 ZnRicotto Duro Commerciale90 Cu 10 ZnRicotto Duro42375 Rosso85 Cu 15 ZnRicotto Duro48395 Basso80 Cu 20 ZnRicotto Duro51407

57 OTTONI GIALLI. Sono leghe contenenti dal 20 al 36 % di Zn ; accoppiano buone caratteristiche meccaniche a una ottima duttilità prestandosi per lavorazioni plastiche a freddo e con piccole aggiunte di piombo anche a quelle per asportazione di truciolo alle macchine utensili. Questi ottoni sono però soggetti a season cracking e dezincificazione ; problemi che vengono ridotti con piccole aggiunte di Sn ( 1 % ) o di Al ( 2 % ). Materiale ComposizioneStatoR kg / mm 2 Rs kg / mm 2 A % Cartridge 70 Cu 30 ZnRicotto Duro Giallo 65 Cu 35 ZnRicotto Duro Al piombo 65 Cu 34 Zn 1 Pb Ricotto Duro Ammiragliato 71 Cu 28 Zn 1 Sn Ricotto Duro

58 Materiale ComposizioneStatoR kg / mm 2 Rs kg / mm 2 A % Muntz60 Cu 40 ZnRicotto Semiduro Free-cutting 61.5 Cu 35.5 Zn 3 Pb Ricotto Semiduro Navale 60 Cu 39 Zn 1 Sn Ricotto Semiduro OTTONI. Contengono dal 35 al 40 % di Zn e hanno di conseguenza una struttura a temperatura ambiente di tipo bifasico. Sono lavorabili a caldo quando, al di sopra dei 460 °C e mostrano una suscettibilità maggiore degli ottoni alla dezincificazione Fra i più usati il Muntz ( 60 Cu 40 Zn ) che accoppia elevata resistenza e lavorabilità a caldo e, il Navale ( 60 Cu 39 Zn 1 Sn ) ottimo per la resistenza a corrosione in ambiente marino.

59 BRONZI BRONZI AL FOSFORO. Contengono dall1 al 12 % di stagno e mostrano caratteristiche meccaniche e durezza superiori a quelle del rame accoppiate unottima resistenza alla corrosione in ambiente marino ; presentano inoltre una migliore resistenza allusura e quindi alla corrosione erosione e una maggiore opposizione al biofouling. Caratteristiche meccaniche : MaterialeComposiz.StatoR kg / mm 2 Rs kg / mm 2 A % C Cu 1.3 Sn Ricotto Duro C Cu 5 Sn 0.2 P Ricotto Duro C Cu 8 SnRicotto Duro C Cu 10 Sn Ricotto Duro

60 BRONZI AL SILICIO. In queste leghe commerciali il tenore di silicio varia dall1.5 al 3 % e in genere è aggiunto un terzo elemento di lega come ferro, manganese, zinco o stagno in quantità fra lo 0.25 e l1.25 %. I bronzi al silicio mostrano caratteristiche meccaniche e resistenza alla corrosione buone e crescenti al crescere degli elementi di lega mentre la lavorabilità decresce allaumentare degli alligati. Essendo, per i tenori di silicio usati, presente una sola fase su questi bronzi non sono possibili trattamenti termici di rafforzamento che può essere ottenuto solo per deformazione plastica a freddo. Fra i molti usi di questi materiali segnaliamo quelli in apparecchiature chimiche resistenti alla corrosione, in scambiatori e parti di valvole o pompe MaterialeComposiz.StatoR kg / mm 2 Rs kg / mm 2 A % C Cu 1.5 Si Ricotto Duro C Cu 3 SiRicotto Duro

61 BRONZI ALLALLUMINIO. Sono leghe rame alluminio apprezzate ed usate per le loro ottime caratteristiche meccaniche, di resistenza allusura e allossidazione a caldo e di resistenza alla corrosione. Questultima in particolare è dovuta alla formazione superficiale di un sottile strato protettivo di allumina che se anche asportato si riforma quasi istantaneamente. I cuproallumini commerciali possono esibire microstrutture diverse variando il tenore di alluminio e dosando altri opportuni elementi di lega è possibile ottenere molti tipi di cuproallumini che per semplicità classificheremo come : Cuproallumini binari monofasici Cuproallumini binari bifasici Cuproallumini complessi monofasici Cuproallumini complessi polifasici Gli usi dei cuproallumini sono molti e in molti campi ; per quanto riguarda quelli tipici dellindustria chimica possiamo ricordare gli impieghi per serbatoi o apparecchiature in contatto con soluzioni acide o saline, per tubi e piastre di scambiatori o condensatori, per evaporatori, parti di pompe o valvole e tubature in genere anche in ambiente marino.

62 TITANIO E SUE LEGHE INDUSTRIALI Il Titanio esibisce unottima resistenza a creep ed alla corrosione in ambiente ossidante, in corrispondenza Di buoni livelli resistenziali e con peso specifico molto inferiore a quello dellacciaio (circa 4,5 g/cm 3 ). Le nuove tecniche di produzione ne hanno diminuito il costo, rendendolo più competitivo. Il Titanio puro è polimorfo ed esibisce 2 strutture cristallografiche: 1.TITANIO, reticolo esagonale compatto, stabile fino a 880 °C; 2.TITANIO, reticolo cubico corpo centrato, stabile per T> 880 °C Il Titanio a T>500 °C tende ad assorbire ossigeno e azoto e idrogeno e reagisce con il Carbonio. E quindi necessario predisporre adeguata protezione. Ottima resistenza a corrosione e notevoli applicazioni nellindustria chimica. Ottime RESISTENZE SPECIFICHE e applicazioni nellindustria aerospaziale. Le leghe industriali utilizzano elementi di lega che possono alzare o abbassare la temperatura di trasformazione polimorfica --- e dare un contributo di rafforzamento per soluzione solida.

63 Elementi stabilizzanti la fase Al, O, N Elementi stabilizzanti la fase V, Mn, Cr, Fe, Nb, Ta In base alla struttura stabile a temperatura ambiente, si distinguono in: LEGHE – Struttura titanio puro. Impiegate allo stato ricotto, hanno eccellenti proprietà meccaniche dalle basse temperature fino a 550 °C. Sono duttili e facilmente saldabili. LEGHE - struttura cubico corpo centrato. Poco usate. LEGHE + – a struttura bifasica. Possono indurirsi per tempra e invecchiamento Tipo struttura%Al%V%Altri R Rs0.2 Impieghi 5 - Sn=2, App. industria chimica + Mn = Aeronautica T °C Aeronautica T °C

64 MAGNESIO E SUE LEGHE Il magnesio è il più leggero tra i metalli da costruzione di interesse industriale (peso specifico 1,74 g/cm3, cioè 2/3 di quello dellalluminio). Le caratteristiche meccaniche sono comunque mediocri e si sono sviluppate quindi opportune leghe. Ha una struttura esagonale compatta ed è quindi poco deformabile a temperatura ambiente, tanto che si producono componenti per lo più per fusione seguita dopo raffreddamento da lavorazione a caldo. Si sono messe a punto principalmente leghe MAGNESIO-ALLUMINIO, MAGNESIO-ZINCO, MAGNESIO-Al-Zn. Sigla UNI %Al%Mn%Znstato R R0,2 A%Applicazioni MgAl8,5ZnMn8,250,250,65getto getti leggeri TA MgZn5,5Zr 5,5 +Zr0,7% estruso buone res, meccaniche

65 SUPERLEGHE PER ALTE TEMPERATURE Le superleghe offrono eccezionali combinazioni di proprietà. In linea di massima possono classificarsi sulla base dei principali elementi leganti: 1.Leghe a base NICHEL (INCONEL, NIMONIC, HASTELLOY ecc.) 2.Leghe a base cobalto (STELLITI) 3.Leghe a base metalli refrattari (cromo, vanadio, molibdeno, niobio). Per una lega resistente ad alta temperatura si può pensare come prima cosa di impiegare un metallo base con elevato punto di fusione, in lega con elementi in grado di fornire un rafforzamento per dispersione stabile ad altissima temperatura (precipitati per invecchiamento artificiale o immissione di particelle dure e stabili per metallurgia delle polveri PM). LEGHE BASE NICHEL. Queste leghe sono molto impiegate per palettature di turbine a gas e in molte applicazioni dellindustria chimica e petrolchimica. Hanno grande resistenza in ambienti corrosivi (ad eccezione di quelli contenenti zolfo) fino a temp. Di °C e ottima resistenza a CREEP. Le LEGHE INCONEL contengono cromo intorno al 15 % e alcuni tipi Ti e Al (INCONEL 700) per precipitazione indurente e maggiore resistenza a creep. %Cr%C%Fe%Al%Ti%Altri INCONEL ,80,047,2--- X-75015,00,046,70,82,5Nb=0,85 NIMONIC11515,50,151,05,04,0- HASTELLOY C-2222,00,0103W=3,0 ; Mo=13 ; Co=3

66 Esercitazione di metallografia Osservazione e studio dei costituenti strutturali e della microstruttura dei materiali metallici. Finalità principali: Valutazione degli effetti sulla microstruttura di trattamenti termici, termochimici, termomeccanici e di deformazioni plastiche a caldo o a freddo; Individuazione di difetti quali microvuoti, inclusioni non metalliche (ossidi, solfuri) o cricche; studio della correlazione fra microstruttura e caratteristiche meccaniche. Possiamo dividere lindagine metallografica in due branche principali: la Macrografia, cioè losservazione a basso ingrandimento (1x-10x); la Micrografia, ovvero losservazione ad ingradimenti più elevati (da 50x a 1000x, per quanto riguarda il microscopio ottico)

67 Esercitazione di metallografia Scelta e prelievo del campione

68 Esercitazione di metallografia Inglobamento Si utilizzano solitamente resine acriliche termoindurenti che scaldate a temperature dellordine dei 150 °C e portate in pressione danno origine ad una reazione di polimerizzazione. In questo modo si riesce a creare una matrice plastica che ingloba il campione e lo rende più maneggevole per le successive operazioni di lucidatura e attacco chimico, specie se di piccole dimensioni.

69 Esercitazione di metallografia Levigatura e Lucidatura Si utilizzano carte abrasive al carburo di silicio. Si parte da carte di granulometria elevata in modo da sgrossare il campione, successivamente si utilizzano carte sempre più fini, in modo da diminuire sempre più le dimensioni dei solchi lasciati dalle carte. La fase finale consiste nella lucidatura a specchio della superficie interessata tramite lutilizzo di un panno su cui è depositata della pasta formata da cristalli di diamante di dimensioni micrometriche.

70 Esercitazione di metallografia MICROSCOPIO OTTICO

71 Esercitazione di metallografia Attacco Metallografico e Osservazione al Microscopio Ottico Lattacco metallografico utilizza reagenti chimici capaci di aggredire in modo differenziato le diverse strutture del metallo: bordi di grano; fasi diverse; superfici di separazione fra fasi diverse; inclusioni; precipitati; …

72 LEGA 6061 – BARRA LAMINATA A FREDDO

73 PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE DEGLI ACCIAI Ferrite: grani poligonali di forma tondeggiante; aspetto chiaro; non sembra attaccata ad ingrandimenti non troppo elevati.

74 PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE DEGLI ACCIAI Austenite: grani poligonali maggiormente squadrati rispetto a quelli della ferrite; presenza di piani geminati; evidenziabile in acciai inox austenitici, non è una fase stabile a temperatura ambiente.

75 PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE DEGLI ACCIAI Perlite: si presenta in noduli non omogenei formate da laminette alternate di ferrite e cementite; Negli acciai è difficilmente distinguibile anche con lausilio del MO, più evidente nelle ghise; Negli acciai ipo- i noduli di perlite sono circondati da grani di ferrite; in quelli iper- da placche di cementite.

76 PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE DEGLI ACCIAI Martensite: presenta aspetti differenti a seconda delle tipologie di acciai e di raffreddamento; In generale si presenta in forme aciculari: cioè ad aghetti e a placchette.

77 Martensite Rinvenuta (Sorbite): E la struttura tipica degli acciai bonificati; costituita da ferrite aciculare e carburi dispersi; le dimensioni dei carburi sono troppo piccole per essere risolte al MO. PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE DEGLI ACCIAI

78 Ferrite-Perlite: struttura tipica degli acciai ipoeutettoidici normalizzati; costituita da noduli di perlite immersi in una matrice ferritica; il MO non è in grado di risolvere la struttura delle lamelle di perlite, che appaiono quindi come grani uniformemente scuri. PRINCIPALI STRUTTURE METALLOGRAFICHE DEGLI ACCIAI

79 ACCIAIO INOX FERRITICO AISI 430 Sezione trasversale Sezione longitudinale

80 Sez.trasv. Sez.long. 8 mm, AISI 430FR (attacco Kallings 2)

81 Sez.trasv. Sez.long. AISI 416 (attacco Kallings 2)

82 AISI 440 C - Matrice martensitica con presenza di carburi primari e secondari


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