Di quali elementi è fatto l'acciaio: la risposta diretta
L'acciaio è fondamentalmente una lega di ferro e carbonio , con il carbonio che tipicamente costituisce tra lo 0,02% e il 2,14% del peso totale. Oltre a questi due elementi fondamentali, la maggior parte dell'acciaio commerciale contiene anche manganese, silicio, fosforo e zolfo in quantità variabili, insieme ad elementi leganti aggiunti intenzionalmente come cromo, nichel, molibdeno, vanadio, rame, boro, titanio e niobio. Nell'acciaio al carbonio semplice, il ferro rappresenta circa il 98%-99,5% del materiale, mentre nelle leghe utilizzate per forgiatura dell'acciaio e componenti di macchinari pesanti, il contenuto di ferro può scendere al 70% o meno una volta che cromo, nichel e altri elementi vengono miscelati in percentuali più elevate. L'esatta combinazione di elementi determina se un lotto di acciaio diventa una lamiera strutturale morbida, un acciaio per utensili temprato, un acciaio inossidabile resistente alla corrosione o una lega forgiata progettata per sopravvivere a sollecitazioni meccaniche estreme.
Comprendere questa composizione elementare è importante perché ogni elemento aggiuntivo cambia il comportamento dell'acciaio durante la fusione, la laminazione e la forgiatura. Un acquirente che acquista flange, alberi o ingranaggi forgiati deve conoscere non solo il nome della qualità ma anche gli intervalli percentuali effettivi di ciascun elemento, poiché tali numeri determinano durezza, duttilità, saldabilità, lavorabilità e resistenza all'usura a lungo termine. In pratica, non esistono due colate di acciaio che siano chimicamente identiche fino all'ultimo punto decimale, motivo per cui gli stabilimenti rilasciano un registro della composizione specifica del calore per ogni lotto che esce dal forno.
Il resto di questa guida esamina ciascun elemento individualmente, spiega come questi elementi interagiscono una volta che l'acciaio viene riscaldato e modellato attraverso la forgiatura e si chiude con una tabella di riferimento dettagliata e domande frequenti che coprono i punti di confusione più comuni in cui si imbattono acquirenti e ingegneri durante la lettura di un foglio di composizione chimica.
Ferro e carbonio: i due elementi fondamentali
Il ferro è il metallo base che conferisce all'acciaio la sua massa, ma il ferro puro da solo è relativamente morbido e non ha la resistenza necessaria per un uso strutturale o meccanico. L'aggiunta di carbonio trasforma il ferro in acciaio bloccando gli atomi di carbonio nel reticolo cristallino del ferro, un processo che limita il movimento delle dislocazioni all'interno del metallo e aumenta notevolmente la durezza e la resistenza alla trazione. Questa relazione non è lineare su tutta la gamma. L'acciaio a basso tenore di carbonio, a volte chiamato acciaio dolce, contiene carbonio tra lo 0,05% e lo 0,25% circa e rimane sufficientemente morbido da poter essere piegato, saldato e lavorato con facilità. L'acciaio a medio carbonio contiene tra lo 0,25% e lo 0,60% di carbonio e raggiunge un equilibrio tra resistenza e lavorabilità, motivo per cui gradi come 1045 e 4140 sono scelte comuni per parti automobilistiche e industriali forgiate. L'acciaio ad alto tenore di carbonio sale dallo 0,60% all'1,50% ed è apprezzato per i bordi taglienti e le superfici soggette a usura, sebbene diventi notevolmente più difficile da saldare o piegare senza rompersi.
Il ferro stesso esiste in più di una forma cristallina a seconda della temperatura, e questo comportamento è l'intera ragione per cui il carbonio ha un effetto così smisurato sull'acciaio. Al di sotto di circa 912°C, il ferro contiene una disposizione cubica a corpo centrato chiamata ferrite, che può dissolvere solo una piccola frazione percentuale di carbonio. Tra circa 912°C e 1394°C, il ferro si sposta in una disposizione cubica a facce centrate chiamata austenite, che può dissolvere molto più carbonio, fino a circa il 2,14% al suo massimo. Questa differenza di solubilità è ciò che consente al trattamento termico di funzionare: il riscaldamento dell’acciaio nella gamma dell’austenite dissolve il carbonio in modo uniforme in tutta la struttura, quindi un rapido raffreddamento intrappola quel carbonio in una disposizione tesa e sovrasatura chiamata martensite, che è estremamente dura ma fragile se non viene successivamente temperata.
Perché il contenuto di carbonio non può essere semplicemente massimizzato
L’aumento del contenuto di carbonio aumenta la resistenza allo snervamento e la durezza, ma ha un costo diretto in termini di duttilità, resistenza agli urti e saldabilità. Una volta che il contenuto di carbonio supera circa lo 0,23%, i giunti saldati diventano soggetti a fessurazioni a meno che non vengano utilizzati il preriscaldamento e il raffreddamento controllato. Questo è uno dei motivi per cui gli acciai strutturali destinati alla saldatura vengono mantenuti al di sotto dello 0,25% di carbonio, mentre le operazioni di forgiatura dell’acciaio che producono componenti non saldati e trattati termicamente possono spingere il carbonio più in alto per ottenere una durezza superiore dopo la tempra e il rinvenimento. Gli ingegneri fanno costantemente riferimento a questo compromesso quando selezionano un grado, poiché una parte che necessita sia di resistenza che di capacità di assorbire un impatto improvviso senza frantumarsi, come un albero motore forgiato o un perno strutturale, di solito si colloca nella gamma di carbonio medio piuttosto che su uno dei due estremi.
Come viene misurato e verificato il contenuto di carbonio
I moderni produttori di acciaio verificano il contenuto di carbonio utilizzando la spettrometria di emissione ottica, dove una piccola scintilla viene generata su un campione lucidato e la luce emessa viene analizzata per identificare e quantificare ogni elemento presente in pochi secondi. L'analisi della combustione viene utilizzata come controllo secondario specificamente per carbonio e zolfo, bruciando un piccolo campione in un'atmosfera di ossigeno controllata e misurando l'anidride carbonica risultante. Entrambi i metodi hanno sostituito quasi interamente le vecchie tecniche di titolazione chimica a umido perché sono più veloci e ripetibili su grandi volumi di produzione, il che è estremamente importante per le operazioni di forgiatura che necessitano di calore chimico costante dopo calore.
| Classificazione dell'acciaio | Intervallo di contenuto di carbonio | Applicazione tipica |
|---|---|---|
| Basso contenuto di carbonio (lieve) | 0,05% - 0,25% | Pannelli di carrozzeria automobilistica, travi strutturali |
| Carbonioio medio | 0,25% - 0,60% | Alberi forgiati, ingranaggi, alberi a gomiti |
| Alto contenuto di carbonio (strumento) | 0,60% - 1,50% | Utensili da taglio, matrici, lame |
| Altissimo contenuto di carbonio | 1,25% - 2,00% | Componenti di usura speciali, filo |
| Soglia in ghisa | Superiore al 2,14% | Non più classificato come acciaio |
Tracce ed elementi residui che contano ancora
Non tutti gli elementi in acciaio vengono aggiunti di proposito. Fosforo e zolfo entrano nella miscela come sottoprodotti residui del minerale grezzo e dei rottami utilizzati nella fusione, e gli stabilimenti lavorano per mantenerli entrambi al di sotto di limiti rigorosi a causa del loro impatto negativo sulle prestazioni meccaniche.
Fosforo
Fosforo segregates toward grain boundaries during solidification, making the steel brittle at room temperature, a defect known as cold shortness. Most specifications cap phosphorus at 0.04% or lower, since even small increases can cause forged parts to crack under impact loading. Free-machining steel grades are a notable exception, where phosphorus is intentionally raised alongside sulfur to make chip formation easier during high-speed machining, trading some toughness for improved cutting performance.
Zolfo
Zolfo causes the opposite problem at high temperature, known as hot shortness, where the steel becomes crumbly and prone to tearing during hot rolling or forging. Manganese is deliberately added in a ratio to sulfur content specifically to neutralize this effect by forming manganese sulfide inclusions instead of the more damaging iron sulfide, which has a much lower melting point and would otherwise sit at grain boundaries as a liquid film during hot working.
Ossigeno, azoto e idrogeno
Anche i gas in traccia assorbiti durante la fusione possono influire sulla qualità dell'acciaio. L'ossigeno forma inclusioni non metalliche che indeboliscono la matrice, l'azoto può causare infragilimento da invecchiamento nel tempo e l'idrogeno è noto per causare fessurazioni ritardate in sezioni forgiate spesse se non viene rimosso tramite degasaggio sotto vuoto prima che l'acciaio venga fuso e forgiato. I moderni forni elettrici ad arco e le pratiche di raffinazione delle siviere hanno reso il controllo di questi gas in traccia molto più preciso rispetto ai decenni passati, il che è parte del motivo per cui i componenti in acciaio forgiato prodotti oggi presentano proprietà meccaniche più costanti rispetto a parti equivalenti realizzate una generazione fa.
Altri elementi residui
La produzione di acciaio basata sui rottami, che ora fornisce un’ampia quota della produzione globale, può introdurre piccole quantità residue di stagno, arsenico e antimonio provenienti da fonti miste di rottami. Questi elementi non vengono aggiunti intenzionalmente e generalmente rimangono al di sotto dello 0,05% ciascuno, ma in combinazione possono contribuire all'infragilimento da rinvenimento in sezioni forgiate pesanti che subiscono un raffreddamento lento attraverso uno specifico intervallo di temperature intermedie. I produttori che forniscono pezzi fucinati critici monitorano il totale combinato di questi elementi indesiderati anziché trattarli singolarmente.
Come gli elementi modellano la microstruttura interna dell'acciaio
Le percentuali di ciascun elemento sono meno importanti da sole rispetto al modo in cui influenzano la microscopica struttura cristallina che si forma quando l'acciaio si raffredda. Quattro strutture emergono ripetutamente in qualsiasi discussione sulle prestazioni dell'acciaio forgiato.
Ferrite
La ferrite è la forma cubica morbida, magnetica e centrata sul corpo che domina l'acciaio a basso tenore di carbonio a temperatura ambiente. Offre un'eccellente duttilità ma una resistenza limitata, motivo per cui le strutture ferritiche pure sono generalmente riservate a parti che privilegiano la formabilità rispetto alla durezza.
Perlite
Perlite is a layered structure of alternating ferrite and iron carbide that forms as medium and high carbon steel cools slowly from the austenite range. The fine, alternating layers give pearlite a useful balance of strength and moderate ductility, and it is the dominant structure in normalized medium carbon forgings that are not further heat treated.
Martensite
La martensite si forma quando l'austenite viene raffreddata troppo rapidamente perché gli atomi di carbonio possano fuoriuscire dal reticolo cristallino in modo ordinato, intrappolandoli in una struttura altamente tesa che è molto dura ma fragile. Quasi ogni pezzo forgiato bonificato, compresi i componenti 4140 e 4340, passa attraverso uno stadio martensitico prima che il rinvenimento riduca la fragilità pur mantenendo la maggior parte della resistenza aggiuntiva.
Bainite
La bainite si forma a velocità di raffreddamento intermedie tra quelle che producono perlite e quelle che producono martensite, e offre un'attraente combinazione di resistenza e tenacità senza la fase di rinvenimento richiesta dalla martensite. Elementi leganti come manganese, cromo e molibdeno ampliano la finestra della velocità di raffreddamento in cui si forma la bainite, offrendo agli ingegneri della forgiatura maggiore flessibilità nelle sezioni spesse dove il nucleo si raffredda più lentamente della superficie.
Ogni elemento di lega discusso in precedenza in questa guida alla fine guadagna il suo posto in una specifica dell'acciaio a causa del modo in cui sposta i confini tra queste quattro strutture, rallentando la velocità di raffreddamento necessaria per evitare la perlite, stabilizzando l'austenite a temperature più basse o fissando i confini dei grani in modo che qualunque struttura si formi rimanga fine e uniforme anziché grossolana.
Produzione e raffinazione dell'acciaio: come viene controllato il contenuto degli elementi
Le percentuali degli elementi non vengono semplicemente mescolate insieme come in una ricetta. Sono il risultato finale di una sequenza di passaggi di raffinazione in cui ciascuno rimuove o aggiunge elementi specifici in un ordine controllato.
- Il caricamento delle materie prime inizia con il minerale di ferro ridotto in un altoforno per produrre ghisa liquida, o con rottami di acciaio riciclati fusi in un forno elettrico ad arco, con la scelta tra percorsi in gran parte determinati dai costi energetici regionali e dalla disponibilità di rottami.
- La raffinazione primaria in un forno ad ossigeno basico o in un forno ad arco elettrico soffia ossigeno attraverso la massa fusa per eliminare il carbonio, il silicio e il fosforo in eccesso dal ferro grezzo, portando la composizione verso un obiettivo approssimativo prima che inizino le regolazioni più fini.
- Segue la metallurgia della siviera, dove la fusione viene trasferita in un recipiente separato e vengono effettuate aggiunte precise di manganese, cromo, nichel, molibdeno e altri elementi di lega per raggiungere l'esatto prodotto chimico target per il grado previsto.
- Il degasaggio sotto vuoto rimuove l'idrogeno disciolto, l'azoto e l'ossigeno residuo, il che è particolarmente critico per l'acciaio destinato a sezioni forgiate di grandi dimensioni dove il gas intrappolato può causare sfaldamenti o fessurazioni interne una volta che la parte si raffredda.
- La colata continua solidifica la fusione raffinata in billette, blumi o lastre e un campione di questa fase diventa l'analisi termica ufficiale che viaggia con il materiale attraverso la laminazione e infine nell'officina di forgiatura.
Ognuna di queste fasi esiste specificamente per controllare il contenuto degli elementi all'interno di una banda ristretta e qualsiasi scorciatoia presa in una fase si manifesta successivamente come un'incoerenza che una pressa di forgiatura esporrà immediatamente sotto forma di fessurazioni superficiali o flusso irregolare dei grani.
Come si comporta il contenuto degli elementi durante il processo di forgiatura dell'acciaio
La forgiatura dell'acciaio rimodella una billetta riscaldata utilizzando la forza di compressione e la composizione elementare di quella billetta governa direttamente il modo in cui risponde sotto il martello o la pressa. Comprendere questa sequenza aiuta a spiegare perché le specifiche di forgiatura fanno riferimento alla chimica esatta piuttosto che solo al nome del grado.
- La billetta viene riscaldata nell'intervallo di temperature austenitiche, tipicamente tra 1100°C e 1250°C per gradi a medio contenuto di carbonio e basso legati, dove la struttura ferro-carbonio diventa sufficientemente morbida da deformarsi senza fessurarsi.
- Il carbonio e gli elementi leganti come il cromo e il molibdeno aumentano la temperatura alla quale il materiale inizia ad ammorbidirsi, motivo per cui le billette da forgiatura di leghe più elevate richiedono un controllo più rigoroso del forno per evitare il surriscaldamento, che rischia di rompersi, o il surriscaldamento, che rende grossolana la struttura del grano.
- Durante la deformazione, elementi come il vanadio e il niobio fissano i confini dei grani in posizione, mantenendo la struttura cristallina fine anche quando il metallo viene compresso e rimodellato, il che migliora direttamente la resistenza e la durata a fatica del pezzo forgiato finito.
- Dopo la forgiatura, la parte viene raffreddata e spesso trattata termicamente. Il contenuto di molibdeno e cromo determina la profondità con cui il pezzo può essere indurito durante la tempra, mentre il contenuto di manganese influenza il modo in cui l'acciaio risponde alla successiva tempra.
- Zolfo and phosphorus levels are checked before forging begins, since forgings with excess sulfur are prone to internal tearing under the compressive stress of the hammer, and excess phosphorus increases the risk of cracking once the part cools below its ductile-to-brittle transition point.
Questo è il motivo per cui i fornitori di forgiatura in genere pubblicano una scheda completa sulla composizione chimica insieme ai dati sulle proprietà meccaniche, anziché fare affidamento solo sulla designazione del grado. Due lotti etichettati con lo stesso grado possono comunque comportarsi diversamente nella pressa se il loro rapporto manganese-zolfo o il contenuto di oligoelementi varia anche leggermente.
Flusso del grano e distribuzione degli elementi
Un vantaggio esclusivo della forgiatura, rispetto alla fusione o alla lavorazione da barra, è che la deformazione di compressione allinea la struttura interna dei grani lungo la forma del pezzo finito anziché tagliarla trasversalmente. Gli elementi di lega che affinano la dimensione del grano, in particolare vanadio, titanio e niobio, amplificano questo vantaggio perché una dimensione del grano iniziale più fine si traduce in una linea di flusso più continua e di maggiore integrità una volta che la parte è completamente forgiata, il che è uno dei motivi principali per cui i componenti forgiati superano costantemente le prestazioni degli equivalenti fusi o lavorati a macchina in applicazioni critiche per la fatica come alberi a gomiti, bielle e semilavorati per ingranaggi.
Controllo della temperatura in diverse famiglie di leghe
Le billette semplici in acciaio al carbonio tollerano una finestra di temperatura di forgiatura relativamente ampia, ma con l'aumento del contenuto di cromo, molibdeno e nichel, tale finestra si restringe notevolmente. Le billette di acciaio per utensili e acciaio inossidabile altamente legate spesso devono rimanere entro una banda stretta fino a 50°C per evitare una deformazione incompleta nella parte inferiore o un'eccessiva crescita del grano e una potenziale fusione incipiente di inclusioni a basso punto di fusione nella parte superiore. Questo è uno dei motivi per cui le officine di forgiatura specializzate nella lavorazione dell'acciaio inossidabile o di alta lega mantengono una strumentazione del forno più rigorosa e controlli della temperatura più frequenti rispetto alle officine focalizzate esclusivamente sull'acciaio al carbonio semplice.
Composizione degli elementi nelle qualità di acciaio più comuni
I sistemi di denominazione dei gradi di acciaio, in particolare i codici a quattro cifre AISI e SAE, sono costruiti direttamente attorno al contenuto degli elementi. La lettura corretta di un numero di grado rivela la maggior parte di ciò di cui è fatto l'acciaio senza bisogno di un rapporto di laboratorio completo. Nel sistema standard a quattro cifre, le prime due cifre indicano l'elemento o la famiglia di lega primaria, mentre le ultime due cifre si avvicinano al contenuto di carbonio in centesimi di percentuale, quindi un grado come 4140 segnala una famiglia di leghe di cromo-molibdeno con circa lo 0,40% di carbonio.
| Grado | Carbon | Elementi chiave di lega | Uso comune |
|---|---|---|---|
| 1018 | 0,18% | Mn 0,60% - 0,90% | Alberi generali, parti a bassa sollecitazione |
| 1045 | 0,45% | Mn 0,60% - 0,90% | Ingranaggi forgiati, assi |
| 4130 | 0,28% - 0,33% | Cr 0,80% - 1,10%, Mo 0,15% - 0,25% | Tubi forgiati, raccordi, parti aerospaziali |
| 4140 | 0,38% - 0,43% | Cr 0,80% - 1,10%, Mo 0,15% - 0,25% | Alberi forgiati, attrezzature, raccordi |
| 4340 | 0,38% - 0,43% | Ni 1,65% - 2,00%, Cr 0,70% - 0,90%, Mo 0,20% - 0,30% | Parti fortemente sollecitate e soggette a fatica |
| 8620 | 0,18% - 0.23% | Ni 0,40% - 0,70%, Cr 0,40% - 0,60%, Mo 0,15% - 0,25% | Ingranaggi, perni forgiati carburati |
| 304 inossidabile | 0,08% massimo | Cr 18% - 20%, Ni 8% - 10,5% | Raccordi e recipienti resistenti alla corrosione |
| Acciaio inossidabile 316 | 0,08% massimo | Cr 16% - 18%, Ni 10% - 14%, Mo 2% - 3% | Forgiati per lavorazioni marine e chimiche |
| Acciaio per utensili H13 | 0,32% - 0,45% | Cr 4,75% - 5,50%, Mo 1,10% - 1,75%, V 0,80% - 1,20% | Stampi per pressofusione forgiati e lavorati |
Nota come il contenuto di ferro non è mai elencato direttamente in queste tabelle. È semplicemente inteso come il resto una volta sottratti dal 100% carbonio, manganese, cromo, nichel e altri elementi, motivo per cui il ferro è talvolta chiamato l'elemento di equilibrio su un foglio di composizione chimica.
Famiglia dell'acciaio inossidabile: spiegazione delle variazioni degli elementi
L'acciaio inossidabile non è un singolo materiale ma una famiglia di leghe raggruppate in base al modo in cui i loro elementi dispongono la struttura cristallina sottostante. La comprensione di queste sottofamiglie chiarisce perché le percentuali degli elementi variano così tanto tra i gradi che rientrano tutti nella stessa etichetta generale di inossidabile.
Acciaio inossidabile austenitico
I gradi austenitici come 304 e 316 si basano su un elevato contenuto di nichel, tipicamente 8% o più, per mantenere stabile la struttura austenite anche a temperatura ambiente anziché trasformarsi in ferrite durante il raffreddamento. Ciò conferisce all'acciaio inossidabile austenitico un'eccellente duttilità e tenacità, insieme all'ulteriore vantaggio di essere non magnetico, sebbene non possa essere indurito tramite trattamento termico come possono fare gli acciai da forgiatura al carbonio e a bassa lega.
Acciaio inossidabile ferritico
I gradi ferritici mantengono il contenuto di nichel basso o del tutto assente e si affidano solo al cromo, solitamente tra il 10,5% e il 18%, per fornire resistenza alla corrosione. Poiché questi gradi rimangono magnetici e non possono essere induriti in modo significativo mediante trattamento termico, vengono scelti più per la resistenza alla corrosione economicamente vantaggiosa in applicazioni strutturali meno impegnative che per i componenti forgiati ad alta resistenza.
Acciaio inossidabile martensitico
I gradi inossidabili martensitici combinano un contenuto moderato di cromo, tipicamente dal 12% al 18%, con una quantità di carbonio sufficiente per consentire la stessa risposta di tempra e rinvenimento utilizzata negli acciai al carbonio e bassolegati. Ciò rende l'acciaio inossidabile martensitico la famiglia preferita per i componenti inossidabili forgiati che necessitano sia di resistenza alla corrosione che di elevata durezza, come componenti di valvole, posate e alcuni alberi di pompe.
Acciaio inossidabile duplex
I gradi duplex bilanciano parti più o meno uguali di austenite e ferrite controllando attentamente cromo, nichel e azoto insieme, producendo una struttura che combina la resistenza dei gradi ferritici con gran parte della tenacità e della saldabilità dei gradi austenitici. Questo equilibrio rende l'acciaio duplex sempre più comune nei raccordi forgiati offshore e per il trattamento chimico che devono affrontare sia carichi meccanici elevati che ambienti corrosivi aggressivi.
Elementi in acciaio per utensili e leghe ad alte prestazioni
L'acciaio per utensili rappresenta l'estremità estrema della complessità delle leghe, dove molteplici elementi resistenti che formano carburo vengono combinati deliberatamente per ottenere resistenza all'usura e resistenza al calore ben oltre ciò che l'acciaio legato standard può offrire.
Acciaio per utensili per lavori a freddo
I gradi per lavorazione a freddo come D2 si basano su un elevato contenuto di cromo, spesso dall'11% al 13%, combinato con un elevato contenuto di carbonio per formare abbondanti carburi di cromo duro in tutta la microstruttura. Questi carburi conferiscono all'acciaio un'eccezionale resistenza all'usura abrasiva in applicazioni come matrici di tranciatura e lame di taglio, sebbene l'elevato volume di carburo possa rendere il materiale più fragile dell'acciaio per utensili di lega inferiore.
Acciaio per utensili per lavori a caldo
I gradi per lavorazioni a caldo come H13 utilizzano cromo, molibdeno e vanadio insieme per resistere al rammollimento alle temperature elevate incontrate negli stessi stampi di pressofusione e forgiatura. Poiché questi stampi vengono ripetutamente riscaldati e raffreddati mentre il metallo caldo viene pressato o fuso contro di essi, la resistenza alla fatica termica è importante tanto quanto la durezza grezza, motivo per cui il bilanciamento degli elementi nell'acciaio per lavorazioni a caldo favorisce la resistenza sostenuta alle alte temperature rispetto alla massima durezza a temperatura ambiente.
Acciaio ad alta velocità
L'acciaio ad alta velocità spinge ulteriormente il contenuto di leghe, combinando tungsteno o molibdeno con vanadio e talvolta cobalto per mantenere un tagliente affilato anche se l'attrito aumenta la temperatura dell'utensile durante la lavorazione ad alta velocità. Il nome riflette il vantaggio originale offerto da questi gradi rispetto al vecchio acciaio per utensili al carbonio semplice, che perdeva la sua durezza e si smussava rapidamente una volta aumentate le velocità di taglio e il calore risultante.
Carbonio equivalente: combinazione di elementi in un numero
Poiché sono così tanti gli elementi che influenzano simultaneamente la temprabilità e la saldabilità, i metallurgisti utilizzano un unico valore combinato chiamato carbonio equivalente, o CE, per riassumere l'effetto complessivo dell'intera chimica in un unico valore. Una versione ampiamente utilizzata della formula aggiunge carbonio alle frazioni contenenti manganese, cromo, molibdeno, nichel e rame.
CE = %C (%Mn / 6) ((%Cr %Mo %Ni) / 15) (%Cu / 40)
Un equivalente di carbonio più elevato significa che l’acciaio è più resistente alla deformazione e si usura meglio, ma significa anche che il materiale è più suscettibile alle fessurazioni indotte dall’idrogeno durante la saldatura e richiede il preriscaldamento prima di realizzare qualsiasi giunto di saldatura. I componenti forgiati che verranno successivamente saldati in un assieme più grande, come gli ugelli dei recipienti a pressione o le connessioni strutturali, sono spesso specificati con un tetto massimo di carbonio equivalente anziché solo con una percentuale massima di carbonio, poiché questo singolo numero cattura l'effetto combinato di ogni elemento contemporaneamente.
Come punto di riferimento pratico, l'acciaio semplice a basso tenore di carbonio produce tipicamente un carbonio equivalente inferiore a 0,35, che si salda facilmente con un preriscaldamento minimo. I gradi bassolegati a medio contenuto di carbonio come il 4140 hanno generalmente un valore compreso tra 0,55 e 0,70, richiedendo un preriscaldamento moderato e una temperatura di interpass controllata durante la saldatura. Gli acciai per utensili e i gradi di forgiatura altamente legati possono spingere l'equivalente di carbonio oltre 0,90, a quel punto la saldatura viene generalmente evitata del tutto a favore della giunzione meccanica o della sostituzione della parte forgiata come un unico pezzo.
Perché il controllo preciso degli elementi è importante per le parti in acciaio forgiato
Un'operazione di forgiatura applica un'enorme forza di compressione a una billetta riscaldata e qualsiasi incoerenza nella distribuzione degli elementi si manifesta immediatamente come fessurazioni, lacerazioni o flusso irregolare del grano. Gli stabilimenti che forniscono billette per la forgiatura in genere mantengono tolleranze più strette su manganese, zolfo e fosforo rispetto agli stabilimenti che producono acciaio per semplici lamiere laminate, poiché il processo di forgiatura concentra qualsiasi debolezza nel punto di massima deformazione. Una billetta con un tenore di zolfo leggermente elevato, che non causerebbe problemi visibili in una lamiera laminata, può rompersi completamente se colpita da un martello da forgiatura.
Questo è anche il motivo per cui rinomati fornitori di forgiatura testano ogni colata di acciaio e conservano il registro della composizione chimica per ogni lotto, anziché fare affidamento su una specifica generale della qualità. Gli acquirenti che acquistano flange forgiate, giunti, corpi valvola o alberi di trasmissione traggono vantaggio dalla richiesta dell'analisi termica effettiva, poiché rivela le percentuali reali di ogni elemento anziché solo la gamma nominale stampata in un catalogo.
La consistenza degli elementi influisce anche sulla lavorazione a valle dopo la forgiatura. Una parte forgiata con inclusioni separate di solfuro di manganese può essere lavorata in modo non uniforme, producendo una finitura superficiale incoerente e un'usura accelerata dell'utensile in alcune aree dello stesso componente. Gli acquirenti che notano variazioni inspiegabili nelle prestazioni di lavorazione di parti forgiate apparentemente identiche spesso fanno risalire la causa principale alla distribuzione incoerente degli elementi all'interno della billetta originale piuttosto che a qualsiasi errore nel processo di lavorazione stesso.
Domande frequenti
Qual è l'elemento più importante nell'acciaio oltre al ferro?
Il carbonio è l’elemento più influente perché controlla direttamente la durezza, la resistenza e la duttilità più di qualsiasi altra aggiunta. Ogni altro elemento viene sovrapposto alla relazione ferro-carbonio per mettere a punto una proprietà specifica.
Può l’acciaio esistere senza carbonio?
Non secondo la definizione standard. Una lega a bassissimo contenuto di carbonio, a volte inferiore allo 0,01% come l'acciaio Maraging, è tecnicamente classificata come acciaio perché si basa ancora su una matrice di ferro rafforzata attraverso altri meccanismi, ma la stragrande maggioranza dell'acciaio commerciale contiene un contenuto di carbonio misurabile.
Perché l'acciaio inossidabile contiene così tanto cromo?
Cromo content above roughly 11% forms a thin, continuously self-healing chromium oxide layer on the surface of the steel. This layer blocks oxygen and moisture from reaching the iron underneath, which is what gives stainless steel its resistance to rust compared with ordinary carbon steel.
Un contenuto di lega più elevato significa sempre un acciaio più resistente?
Non necessariamente. Gli elementi di lega modificano proprietà specifiche anziché semplicemente aggiungere forza a tutti i livelli. Il nichel, ad esempio, migliora principalmente la tenacità e le prestazioni alle basse temperature piuttosto che la durezza grezza, mentre il cromo migliora principalmente la resistenza all'usura e alla corrosione. La giusta combinazione dipende interamente da come verrà utilizzata la parte finita.
Perché le parti forgiate specificano le percentuali esatte degli elementi anziché solo il nome della qualità?
Perché anche piccole variazioni del contenuto di manganese, zolfo o fosforo all'interno dell'intervallo consentito per una qualità possono modificare il comportamento della billetta sotto la forza di compressione durante la forgiatura. L'esatta chimica del calore consente agli ingegneri di prevedere il flusso del grano, il rischio di fessurazione e la risposta al trattamento termico post-forgiatura con una precisione molto maggiore rispetto al solo nome della qualità.
Cosa succede se il contenuto di zolfo nell'acciaio è troppo elevato prima della forgiatura?
Lo zolfo in eccesso reagisce con il ferro per formare solfuro di ferro, che fonde a una temperatura molto più bassa rispetto alla matrice di acciaio circostante. Durante la forgiatura a caldo, queste inclusioni a basso punto di fusione possono causare la lacerazione interna della billetta, un difetto noto come brevità a caldo che viene in gran parte prevenuto aggiungendo invece abbastanza manganese per legare lo zolfo.
Il contenuto di ferro è mai elencato su una scheda tecnica dell'acciaio?
Il ferro è raramente elencato come percentuale specifica perché viene trattato come il resto della composizione dopo aver considerato ogni altro elemento. Una tipica specifica dell'acciaio al carbonio elenca i massimi di carbonio, manganese, fosforo, zolfo e silicio, con il ferro inteso semplicemente come componente del resto, solitamente dal 97% al 99% del peso totale.
Perché alcuni gradi aggiungono boro quando il cromo e il molibdeno già migliorano la temprabilità?
Boro is added because it delivers a large hardenability improvement using only a few parts per million of material, which keeps alloy cost low compared with achieving the same hardenability increase through larger additions of chromium, molybdenum, or nickel. It is especially common in cost-sensitive fastener and structural grades where every fraction of a percent of alloy content affects the final price.
Qual è la differenza tra un prodotto laminato a caldo e uno forgiato realizzati con lo stesso tipo di acciaio?
Entrambi partono dalla stessa composizione chimica, ma la forgiatura applica una forza di compressione concentrata che allinea il flusso interno dei grani lungo la forma del pezzo e chiude qualsiasi porosità interna rimasta dalla fusione. Le barre laminate a caldo hanno una struttura della grana più uniforme e meno direzionale. Per i componenti critici per la fatica, il flusso allineato dei grani ottenuto attraverso la forgiatura offre in genere prestazioni meccaniche migliori anche se la chimica degli elementi sottostanti è identica.
Come fanno gli ingegneri a decidere quali elementi di lega specificare per una nuova parte forgiata?
La selezione di solito inizia dai requisiti meccanici della parte, come la resistenza alla trazione richiesta, la resilienza alla temperatura di servizio prevista e la resistenza alla corrosione o all'usura, e poi procede a ritroso fino a un grado le cui gamme di elementi stabiliti sono noti per fornire tali proprietà in modo affidabile. Costo, saldabilità e lavorabilità vengono valutati insieme alle pure prestazioni meccaniche, poiché l'acciaio più legato è raramente la scelta più pratica o economica per una determinata applicazione.
