Cos'è il carbonio nell'acciaio? Guida ai contenuti, ai gradi e alla forgiatura

Il carbonio è il singolo elemento che separa il ferro dall'acciaio e la quantità presente, in genere, è intermedia 0,05% e 2,0% in peso , decide quasi tutto sul comportamento di un pezzo di acciaio sotto carico, calore e martello da forgiatura. Aumentando la percentuale di carbonio il metallo acquista durezza e resistenza alla trazione ma perde duttilità e saldabilità; abbassarlo e l'acciaio rimane morbido, formabile e facile da saldare ma non può mantenere un bordo duro o un'elevata resistenza senza l'aiuto di elementi di lega. Ogni certificato di fabbrica, ogni disegno di forgiatura e ogni designazione di grado come 1045 o 4140 risale a questo rapporto.

Cosa fa effettivamente il carbonio all'interno dell'acciaio

Il ferro da solo è un metallo morbido e relativamente debole. Quando gli atomi di carbonio vengono introdotti durante la fusione, si depositano tra gli atomi di ferro nel reticolo cristallino e formano un composto chiamato cementite (carburo di ferro, Fe3C) insieme a una soluzione solida chiamata ferrite. L'equilibrio tra queste due microstrutture, e successivamente tra perlite, martensite e bainite dopo il trattamento termico, è ciò che conferisce all'acciaio la sua personalità meccanica.

Un modo utile per immaginarlo: la ferrite è la parte morbida, magnetica e facilmente piegabile della struttura, mentre la cementite è dura e fragile. Man mano che il contenuto di carbonio aumenta, si forma più cementite e la durezza dell'acciaio aumenta secondo una curva abbastanza prevedibile. I metallurgisti hanno monitorato questa relazione sin dall'inizio del XX secolo, e rimane la base del diagramma di fase ferro-carbonio utilizzato oggi in ogni classe di metallurgia.

Perché il contenuto di carbonio viene misurato in frazioni percentuali

Poiché l'effetto del carbonio è così forte, le differenze sono minime 0,10% modificare la classificazione di un acciaio e la sua applicazione adatta. Un acciaio 1020 (0,20% di carbonio) non si comporta per niente come un acciaio 1095 (0,95% di carbonio) anche se entrambi sono tecnicamente acciai al carbonio semplici. Questo è il motivo per cui i produttori di acciaio riportano il contenuto di carbonio al centesimo di punto percentuale sui rapporti di prova degli stabilimenti invece di arrotondare al numero intero più vicino.

Classificazioni dell'acciaio al carbonio in percentuale

Gli acciai semplici al carbonio sono raggruppati in quattro grandi famiglie in base al contenuto di carbonio. Ogni famiglia ha una serie distinta di usi tipici e i falsari li selezionano in base all'equilibrio tra resistenza, tenacità e lavorabilità richiesto dalla parte finita.

Sopra più o meno 2,0% di carbonio , il materiale non è più classificato come acciaio; diventa ghisa, che è molto più fragile e viene modellata mediante fusione anziché forgiatura o laminazione.

Come il contenuto di carbonio modifica le proprietà meccaniche

La relazione tra carbonio e prestazioni meccaniche è una delle tendenze più costanti nell’ingegneria dei materiali. All’aumentare della percentuale di carbonio, quattro proprietà si muovono in una direzione prevedibile:

• La durezza aumenta — una maggiore quantità di cementite nella microstruttura resiste alla rientranza e all'abrasione.
• La resistenza alla trazione aumenta - fino a un certo punto, il carbonio aggiuntivo consente all'acciaio di sopportare un carico maggiore prima della rottura.
• La duttilità diminuisce — l'acciaio si piega e si allunga meno prima di rompersi, quindi la formatura a freddo diventa più difficile.
• La saldabilità diminuisce — gli acciai ad alto tenore di carbonio sono più soggetti a fessurazioni nella zona interessata dal calore, a meno che non siano preriscaldati e controllati attentamente.

Questo è il motivo per cui un semiasse automobilistico forgiato, che necessita sia di resistenza che di capacità di assorbire gli urti senza frantumarsi, utilizza in genere un grado di carbonio medio come 1045 anziché ricorrere a un acciaio ad alto tenore di carbonio che sarebbe più forte in un test di laboratorio ma troppo fragile per un impatto stradale.

Contenuto di carbonio e Forgiatura dell'acciaio Processo

La forgiatura dell'acciaio modella il metallo mediante deformazione plastica compressiva, utilizzando martelli, presse o rulli per forzare l'acciaio riscaldato in uno stampo o nella forma desiderata. Il contenuto di carbonio governa quasi ogni decisione presa da una fucina prima che arrivi il primo colpo di martello.

Forgiatura di finestre di temperatura

Gli acciai a basso e medio tenore di carbonio vengono generalmente forgiati tra 1150°C e 1250°C (circa da 2100°F a 2280°F), dove il materiale si trova nella sua fase austenitica e scorre facilmente sotto pressione. Gli acciai ad alto tenore di carbonio vengono solitamente forgiati verso il limite inferiore di tale intervallo, poiché il calore eccessivo combinato con un alto contenuto di carbonio favorisce la crescita del grano e la decarburazione superficiale, entrambi i quali indeboliscono la parte finita.

Perché i falsari preferiscono i gradi di carbonio medio

Gli acciai a medio carbonio come 1040, 1045 e 4140 dominano l'industria della forgiatura perché raggiungono un equilibrio praticabile: abbastanza carbonio per rispondere bene al trattamento termico post-forgiatura come la tempra e il rinvenimento, ma non così tanto da causare la rottura della billetta sotto lo stampo. Componenti come alberi motore, bielle, ingranaggi, flange e utensili manuali sono quasi sempre forgiati da questa fascia centrale anziché dagli estremi.

Flusso dei cereali e guadagni di forza

La forgiatura non si limita a modellare l'acciaio; allinea la struttura della grana interna lungo i contorni della parte. Un componente forgiato segue le linee continue del flusso delle venature, mentre una parte lavorata o fusa taglia trasversalmente le venature o non ne ha affatto. I test di settore hanno ripetutamente dimostrato che le parti in acciaio forgiato possono avere una resistenza alla fatica significativamente più elevata rispetto alle parti fuse o lavorate con la stessa composizione chimica, motivo per cui l’acciaio al carbonio forgiato rimane lo standard per componenti critici per la sicurezza come i fusi a snodo e gli alberi motore.

Acciaio al carbonio rispetto all'acciaio legato e all'acciaio inossidabile

Il contenuto di carbonio da solo non racconta tutta la storia una volta che altri elementi entrano nel mix. Capire dove si trova l’acciaio al carbonio semplice rispetto ai suoi cugini legati aiuta a spiegare perché un disegno di forgiatura potrebbe richiedere una famiglia piuttosto che un’altra.

In pratica, un ingegnere addetto agli acquisti sceglie l'acciaio al carbonio semplice quando la parte verrà rivestita, verniciata o conservata all'interno e ricorre alle leghe o ai gradi inossidabili quando l'applicazione richiede resistenza alla corrosione o maggiore temprabilità attraverso sezioni trasversali più spesse.

Scelta di un grado di acciaio al carbonio per una parte forgiata

Selezionare la giusta percentuale di carbonio è un atto di equilibrio tra tre domande: quanto deve essere resistente la parte, quanto shock o fatica assorbirà e come verrà lavorata o unita in seguito.

1. Identificare il tipo di carico. I carichi statici tollerano un contenuto di carbonio più elevato; carichi di impatto ripetuti favoriscono il carbonio medio con buona tenacità.
2. Controllare le operazioni post-stampaggio. Se la parte verrà saldata a valle, mantenere il contenuto di carbonio al di sotto dello 0,30% circa, a meno che il preriscaldamento e il raffreddamento controllato non facciano parte del piano di processo.
3. Confermare il percorso del trattamento termico. Gli acciai a medio e alto tenore di carbonio rispondono bene ai cicli di tempra e rinvenimento; gli acciai a basso tenore di carbonio si affidano invece alla cementazione o alla cementazione.
4. Pesare la lavorabilità rispetto alla durezza. Un contenuto di carbonio più elevato significa generalmente velocità di taglio più lente e usura più rapida dell'utensile durante la lavorazione secondaria.

Una fucina che fornisce produttori di attrezzature automobilistiche o agricole spesso si standardizza su una manciata di qualità, nella maggior parte dei casi 1045 per alberi generali e 4140 dove è richiesto un rapporto resistenza/peso più elevato, proprio perché questi gradi si collocano nel punto ottimale tra forgiabilità e prestazioni del pezzo finito.

Trattamento termico dopo la forgiatura

La sola forgiatura raramente fornisce le proprietà meccaniche finali di una parte. Il contenuto di carbonio determina quali trattamenti termici sono possibili anche successivamente.

Normalizzazione

Quasi tutti i pezzi fucinati in acciaio al carbonio vengono normalizzati dopo la forgiatura, riscaldati al di sopra della temperatura critica e raffreddati ad aria, per affinare la struttura dei grani e alleviare le sollecitazioni irregolari lasciate dal processo di forgiatura.

Tempra e rinvenimento

Gli acciai a medio e alto tenore di carbonio possono essere temprati in olio o acqua per formare martensite, quindi rinvenuti per scambiare parte della durezza con tenacità. La percentuale di carbonio fissa un tetto alla durezza ottenibile; un acciaio con una percentuale di carbonio inferiore allo 0,30% circa semplicemente non può raggiungere la stessa durezza allo stato di tempra di un grado 1060 o 1080, indipendentemente dalla gravità del raffreddamento.

Indurimento della cementazione per parti a basso tenore di carbonio

Gli acciai a basso tenore di carbonio che necessitano di una superficie resistente all'usura ma un nucleo resistente, come gli ingranaggi, vengono invece carburati: il carbonio viene diffuso nella superficie esterna ad alta temperatura, quindi quello strato superficiale da solo viene temprato duro mentre il nucleo a basso tenore di carbonio rimane duttile.

Domande frequenti

Quale percentuale di carbonio rende l'acciaio abbastanza duro per gli utensili?

Le applicazioni degli strumenti generalmente iniziano in giro 0,60% di carbonio e salire fino a circa l'1,0%, poiché questo intervallo si indurisce bene attraverso la tempra e mantiene un bordo affilato.

Un carbonio più elevato significa sempre un acciaio più forte?

Solo fino a un certo punto. La resistenza alla trazione e allo snervamento aumenta con il contenuto di carbonio, ma oltre lo 0,80-0,90% i guadagni si appiattiscono mentre la fragilità continua ad aumentare, quindi più carbonio non è automaticamente migliore per ogni applicazione.

Perché l'acciaio a medio carbonio è il materiale di forgiatura più comune?

Offre la più ampia finestra pratica: abbastanza carbonio da indurire attraverso il trattamento termico, ma abbastanza duttile da resistere alle forze di compressione della forgiatura senza rompere la billetta.

È possibile forgiare l’acciaio a basso tenore di carbonio?

SÌ. L'acciaio a basso tenore di carbonio si forgia facilmente grazie alla sua elevata duttilità ed è comunemente scelto per parti che verranno saldate o che necessitano di un nucleo robusto e resistente agli urti piuttosto che di durezza superficiale.

Come viene misurato il contenuto di carbonio in una parte finita in acciaio?

I produttori utilizzano l'analisi della combustione o la spettroscopia delle emissioni ottiche per misurare la percentuale di carbonio direttamente da un campione e il risultato è riportato sul certificato di prova della fabbrica che accompagna il materiale.

Cosa succede se il contenuto di carbonio è troppo elevato per un'applicazione di forgiatura?

Il carbonio in eccesso riduce la duttilità al punto in cui la billetta può rompersi durante la compressione, in particolare sugli angoli dello stampo e nelle sezioni sottili, motivo per cui le fucine specificano intervalli di contenuto di carbonio anziché accettare ampie tolleranze di laminazione.