Acciai: influenza degli elementi di lega
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
Acciai: influenza degli elementi di lega • Influenza del Nichel (Ni) Ni = 25-28% perdita proprietà magnetiche Ni = 36-38% massimi e minimi di diverse proprietà Ni = 78% massimo permeabilità magnetica Durante l’elaborazione della colata il Ni non prende parte ad alcuna reazione, ma viene aggiunto nella prima parte (bagno effervescente) perché la ferro lega di Ni contiene H. Il Ni non forma carburi Il Ni favorisce la grafitizzazione del C Diminuiscono T ricottura e tempra Diminuiscono velocità critiche Aumenta la penetrazione di tempra Aumenta la tenacità, a parità di Rm Non peggiora la deformabilità a freddo ed a caldo 141
• Influenza del Manganese (Mn) E’ completamente solubile in tutte le proporzioni. Ha un comportamento simile al Ni. Tutti gli acciai contengono un po’ di Mn (viene utilizzato come disossidante e desolforante , 0.3-0.4%). Le strutture martensitiche sono troppo fragili Caratteristiche positive Diminuisce T ricottura e tempra Aumenta penetrazione di tempra Diminuisce v raffreddamento critica e le deformazioni di tempra Aumenta la tenacità a parità di Rm Aumenta Rm (100MPa/1%Mn) Migliora deformabilità a caldo Caratteristiche negative Diminuisce conducibilità termica Diminuisce deformabilità a freddo Aumenta la sensibilità al surriscaldo Diminuisce la lavorabilità per acciai austenitici Peggioramento proprietà magnetiche ed elettriche Inconvenienti nella cementazione 142
• Influenza del Cobalto (Co) Non si ossida e può essere aggiunto alla colata in qualsiasi momento Aumenta la velocità critica (diminuisce la penetrazione di tempra) Favorisce la grafitizzazione Rende più stabile la martensite • Influenza del Rame (Cu) Può essere aggiunto in qualunque momento Migliora le caratteristiche a caldo Fino allo 0.25÷0.30% migliora la resistenza alla corrosione atmosferica • Influenza dell’Azoto (N) Aumenta leggermente Rm, A%, Z% Stabilizza austenite 143
• Influenza dell’Alluminio (Al) Ha un energico effetto disossidante Forma con l’azoto dei nitruri durissimi Conferisce resistenza all’ossidazione a caldo Peggiora la saldabilità • Influenza del Cromo (Cr) Forma carburi stabili Diminuisce la conducibilità termica Finchè la struttura è perlitica, Rm aumenta senza diminuzione di A, Z, K Conferisce stabilità al rinvenimento ala struttura temprata Aumenta la resistenza alla corrosione ed alla ossidazione • Influenza del Titanio (Ti), Tantalio (Ta) e Niobio (Nb) Formano composti intermetallici tipo Fe3Ti, con conseguente indurimento per precipitazione Ti è un forte disossidante Formano carburi 144
• Influenza del Molibdeno (Mo) Appartiene allo stesso gruppo del Cr e forma carburi duri e stabili Può essere aggiunto in qualsiasi momento Con il 3% si chiude il campo γ, al 10% si chiude il campo α, oltre si forma Fe3Mo2 Aumenta la temprabilità Ha un ottimo effetto indurente Aumenta la stabilità della martensite a T elevata Aumenta il limite di fatica e di scorrimento a caldo Diminuisce effetto di surriscaldamento Elimina la fragilità al rinvenimento • Influenza del Vanadio (V) Simile al Cr, forma carburi Potente disossidante Legandosi con il C, diminuisce la temprabilità Affina il grano Aumenta la resistenza a caldo 145
• Influenza del Tungsteno (W) Meno ossidabile del Fe, può essere aggiunto in qualsiasi momento Aumenta temprabilità Notevole effetto indurente Può sostituire (con una % doppia) il Mo Comporta una limitata conducibilità termica • Influenza del Silicio (Si) E’ sempre presente e si parla di acciai al Si per tenori superiori al 1% Aumenta R ed HV mentre K, A, Z diminuiscono Diminuisce la v critica e quindi aumenta la temprabilità Conferisce resistenza agli acidi ed all’ossidazione a caldo Riduce la velocità di diffusione del C (quindi effetto negativo sulla cementazione) Influenza dannosa sulla deformabilità a caldo Sensibilità al surriscaldo (ingrossamento del grano) 146
• Influenza dello Zolfo (S) A seguito della formazione di un eutettico bassofondente (988°C) a bordo grano, si ha la fragilità a caldo dell’acciaio Ni, Co, Mo formano solfuri con punti di fusione ancora più bassi Cr, Zr, Mn formano solfuri a distribuzione puntuale non dannosa con elevate T di fusione. Questi solfuri migliorano la lavorabilità a caldo Peggiora la resilienza, specialmente con elevato C Fino allo 0.2% non si hanno peggioramenti evidenti. Si richiede comunque un tenore inferiore allo 0.005 ed anche allo 0.003 per l’elevata tendenza alla segregazione nella parte centrale del lingotto. Data la miscibilità praticamente nulla, lo zolfo da luogo ad inclusioni non metalliche che diminuiscono il limite di fatica 147
• Influenza del Fosforo (P) Simile allo S, per P%>0.2% la resilienza diviene nulla Il tenore limite è più basso dello 0.2%, in quanto il P si scioglie anche nell’acciaio anche allo stato solido. Per acciai particolarmente tenaci si arriva a tenori inferiori allo 0.02% • Influenza dell’ Ossigeno (O) Peggiora le proprietà meccaniche Peggiora le proprietà fisiche Aumenta la sensibilità al surriscaldo Peggiora la lavorabilità a caldo Dato che la solubilità dell’O nel Fe è praticamente nulla, tutto l’ossigeno contenuto è quello nelle inclusioni non metalliche • Influenza dell’Idrogeno (H) Fa diminuire A, Z, K Può far formare i “fiocchi” durante il raffreddamento del pezzo 148
Designazione alfanumerica (UNI EN 10027 parte 1°) • Gruppo 1: acciai designati in base al loro impiego ed alle loro caratteristiche meccaniche o fisiche; • Gruppo 2: acciai designati in base alla loro composizione chimica (suddivisi in quattro sottogruppi). Gruppo 1 - un simbolo principale, che indica la caratteristica meccanica o fisica oppure l’impiego - un numero pari alla valore minimo della proprietà meccanica o fisica che deve essere specificata 149
Gruppo 1 Si suddivide in 4 sottogruppi: - Sottogruppo 1 (%Mn1, tenore complessivo elementi di lega 5%) Lettera X Tenore C moltiplicato 100 Simboli chimici elementi di lega Tenore elementi di lega - Sottogruppo 4 (acciai rapidi) Lettere HS Tenore dei seguenti elementi: W, Mo, V, Co 150
Designazione precedente (UNI EU 27) Si possono considerare 5 grandi categorie di acciai •acciai da costruzione di uso generale; •acciai speciali da costruzione; •acciai da utensili; •acciai per usi particolari; •acciai inossidabili. 151
Acciai da costruzione di uso generale • Sono posti in opera senza trattamento termico, al massimo, dopo normalizzazione. • Si richiede unicamente di possedere un certo valore minimo di Rs Ciò può essere ottenuto mediante: • Affinamento del grano mediante precipitati fini • Incrudimento per deformazione plastica a freddo • Rafforzamento per soluzione solida (Mn, Si) • Rafforzamento per dispersione di precipitati (in presenza di Nb, Ti, V) •Presenza di bainite e/o martensite Per costruzioni saldate, bullonate e chiodate %Cmax %Pmax %Smax %Nmax Fe360B 0.19 0.045 0.045 0.009 Fe410D 0.18 0.040 0.040 - Fe510D 0.20 0.040 0.045 - Hanno Rs
Si introducono elementi di lega per aumentare Rs con una buona resilienza ed accettabile resistenza alla corrosione atmosferica. L’incremento del tenore di C è il modo più semplice per ottenere elevati valori di Rs Esistono delle relazioni empiriche che permettono di correlare la resistenza meccanica R con la composizione chimica: R = RFe + ∆RC + Σ∆REl Influenzato dal Indipendente dal trattamento termico trattamento termico 153
Ad esempio: R = 300+ n 1000 %C + 100 (%Si - 0.30) + 150 (%Mn-%C)+ 40 %Ni + 150 %Cr + 300 %Mo + 700 %V + 50 %Al Con: n=1 Trinv = 600°C n = 2.3 Trinv = 450°C n = 3.8 Trinv = 200°C n=4 Trinv = 150°C 154
Altre composizioni chimiche %C %Mn %Si %Cr %Ni altri 0.22 1.60 0.50 0.30 0.60 V,Mo Norm. 0.20 1.00 0.35 0.35 0.65 V, Mo Bon. 0.12 1.70 0.35 0.30 0.50 Nb,V HSLA 0.12 0.50 0.70 1.25 0.65 Cu Corten 0.19 1.25 0.30 0.65 - V,Cu Corten %S < 0.02 %P < 0.02 155
Acciai speciali da costruzione 0.1
Variazione della resistenza meccanica, per gli acciai speciali da costruzione, al variare di Trinv Si possono considerare in questo gruppo: • acciai da bonifica • acciai da nitrurazione • acciai da cementazione • acciai per molle • acciai autotempranti • acciai speciali per cuscinetti a rotolamento • acciai per funi • acciai per particolari applicazioni • acciai maraging 157
Acciai da bonifica Sono adatti a sopportare sforzi, urti e vibrazioni. I valori massimi degli elementi di lega sono: 0,2
Alcuni acciai da bonifica: %C %Mn %Cr %Ni %Mo C25 0.25 0.60 ------ ------ ------ C60 0.60 0.75 ------ ------ ------ 41Cr4 0.40 0.65 1.00 ------ ------ 36CrMn5 0.35 1.00 1.15 ------ ------ 35CrMo4 0.35 0.75 1.00 ------ 0.20 39NiCrMo3 0.39 0.65 0.85 0.85 0.20 30NiCrMo12 0.31MPa 0.65 0.80 2.90 0.45 Proprietà meccaniche (valori minimi di Rm ed Rs [MPa] e di A% e K [J]) Rm Rs A% K C25 625 360 19 37.5 C60 905 590 11 ----- 41Cr4 1030 735 11 25 36CrMn5 980 685 12 25 35CrMo4 1030 735 11 30 39NiCrMo3 1080 785 11 30 30NiCrMo12 1080 785 14 40 159
Acciai da nitrurazione Dopo bonifica, sono sottoposti al trattamento di nitrurazione (50 ore a 525°C). Il Mo viene aggiunto per evitare il problema della fragilità al rinvenimento %C
Acciai da cementazione Sono sottoposti al trattamento termochimico, seguito da una tempra ed un rinvenimento a 150°C. Il tenore di C è basso sia per avere una buona cementazione, che per avere una elevata tenacità nel cuore %C < 0.2 %Mn < 2 %Ni < 5 %Cr < 2 %Mo < 0.5 C Mn Cr Ni Mo C10 0.1 0.50 - - - C15 0.15 0.50 - - - 16MnCr5 0.16 1.15 - - - 18CrMo4 0.18 0.75 1.0 - 0.20 12NiCr3 0.12 0.45 0.55 0.65 - 16CrNi4 0.16 0.85 0.95 0.95 - 16NiCrMo2 0.16 0.80 0.50 0.55 0.20 16NiCrMo12 0.16 0.55 0.95 2.95 0.35 161
Acciai per molle Si distinguono dagli altri acciai per l’elevato valore di Rs, ottenuto agendo sia sulla composizione chimica che sulla temperatura di rinvenimento (400-450°C invece di 600°C). Nel caso degli acciai non legati si utilizzano tenori di C piuttosto elevati, mentre nel caso degli acciai legati il tenore di C è inferiore, con valori più elevati di Si e Mn. (
Acciai autotempranti Sono quegli acciai che prendono tempra dopo un semplice raffreddamento all’aria. Essi vengono rinvenuti a 200°C. Si ottengono in tale modo delle resistenze elevatissime (2000MPa) con una tenacità soddisfacente. %C+%Ni+%Cr = 5-7 0,3
Acciai speciali per cuscinetti da rotolamento Si impiegano acciai ipereutettoidici che, dopo trattamento di ricottura, assumono struttura globulare che coincide con la massima lavorabilità e predispone l’acciaio alla tempra. %S
Acciai per funi Il prodotto è caratterizzato da una elevata resistenza a trazione, resistenza alla torsione, resistenza piegamento, tenacità. Tali caratteristiche sono ottenute con una scelta ottimale della composizione chimica (%C), della deformazione plastica (grado di incrudimento), trattamento termico (patentamento) Normalmente 0.2
Acciai speciali da costruzione per particolari applicazioni Si ricordano gli acciai per lavorazioni ad elevata velocità, con percentuali notevoli di S oppure con un contenuto non trascurabile di Pb %C %Mn %Si %S %P 10S22 0.10 0.70 0.30 0.22 0.05 35SMn10 0.35 1.50 0.25 0.10 0.02 35SMnPb 0.35 1.50 0.25 0.10 0.02 166
Acciai speciali da costruzione con elevatissime caratteristiche Acciai maraging • Non è necessaria la presenza del C, anzi è dannosa (%C
La scelta del tenore del Ni è dettata dalle seguenti considerazioni: • Se Ni23 si ha della austenite residua non trasformata La presenza del Mo e del Ti aumenta notevolmente l’isteresi della trasformazione α/γ Si possono ottenere valori di Rs=1950MPa, con Rm=2000MPa 168
Trattamento termico di Maraging Laminazione o fucinatura Solubilizzazione Riscaldamento composti a 820±25°C intermetallici Struttura Raffreddamento in aria completamente fino a T ambiente martensitica Permanenza a Precipitazione 480±15°C per 3- composti 6h (Maraging) intermetallici %Ni %Co %Mo %Ti %Al 18Ni200 17-19 8.0-9.0 3.0-3.5 0.15-0.25 0.05-0.15 18Ni300 18-19 8.5-9.5 4.7-5.2 0.50-0.80 0.05-0.15 169
Acciai per utensili Le caratteristiche che, da sole o combinate, vengono richieste a questi acciai sono: • Elevata durezza a caldo ed a freddo • Elevata capacità di taglio • Insensibilità all’addolcimento per rinvenimento • Elevata penetrazione di tempra • Insensibilità alle spaccature per oscillazioni termiche • Buona resistenza all’usura Per ottenere queste proprietà si ricorre a valori elevati del %C (>0,6) ed all’aggiunta di W, Mo, V, Cr, Co, Mn, Si Da ricordare che: • La temperatura di austenitizzazione >> Ac3, in modo da solubilizzare i carburi precedentemente precipitati (rischio ingrossamento grano) • Durante la tempra i vari elementi di lega modificano fortemente le curve CCT • Durante il rinvenimento la durezza aumenta notevolmente grazie alla precipitazione dei carburi 170
Influenza dei vari elementi C (fra 0.25 e 2%): è sempre presente ed è l’elemento più importante per aumentare la durezza, sia per la formazione di martensite che di carburi. Mn (
• Acciai per lavorazioni a freddo Tali acciai sono caratterizzati da una elevata durezza a freddo (>55HRC) ma da una bassa durezza a caldo. Si possono distinguere gli acciai per utensili al C e gli acciai legati per lavorazione a freddo. • Acciai per lavorazioni a caldo (T>300°C) Sono caratterizzati da una resistenza al rinvenimento, da una insensibilità all’ingrossamento del grano e da una buona conducibilità termica. La loro durezza a temperatura ambiente è compresa fra 40 e 55 HRC e resta ad un buon livello a caldo, grazie alla precipitazione di carburi in forma finemente dispersa. 172
• Acciai rapidi Sono caratterizzati da una durezza molto elevata alla temperatura ambiente (>60HRC) e da una ottima durezza a caldo. Queste proprietà sono ottenute mediante l’aggiunta importante di elementi carburigeni (W, Mo, V) associati al Cr (miglioramento della temprabilità) ed, eventualmente, al Co. Acciai semi rapidi (v. taglio ≅ 15 m/min) %C ≅ 0.8; %Cr ≅ 4; %W ≅ 8; Mo; V Acciai rapidi (v. taglio ≅ 30 m/min) Non si usa Co;il W è spesso sostituito dal Mo Acciai super rapidi (v. taglio ≅ 40 m/min) 0.7
Acciai inossidabili Sono delle leghe a base di ferro resistenti ad un gran numero di ambienti corrosivi, in un campo esteso di temperatura. L’elemento indispensabile perché un acciaio sia inossidabile è il Cr che deve essere presente almeno con un tenore minimo del 12%. Gli elementi di lega hanno una influenza sulla struttura di tipo: ALFAGENO (come il Cr) GAMMAGENO (come il Ni) 174
Si può utilizzare il diagramma di Schaeffler (valido per le leghe dopo solidificazione), che permette di determinare la microstruttura dominante, nota la composizione chimica e la velocità di raffreddamento. Nieq = %Ni + 30 %C + 0.5 %Mn Creq = %Cr + %Mo + 1.5 %Si + 0.5 %Nb Questi acciai vengono usualmente classificati in base alla microstruttura e, spesso, viene per essi utilizzata la designazione americana AISI. Serie 400: acciai inossidabili ferritici e martensitici Serie 300: acciai inossidabili austenitici 175
Acciai inossidabili martensitici (posseggono A3 ed A1) Sono caratterizzati da una notevole temprabilità e la loro velocità di raffreddamento critica corrisponde a quella relativa ad un raffreddamento in aria I trattamenti tipici di questi acciai, che vengono effettuati nei diversi stadi di lavorazione, sono la ricottura, la tempra ed il rinvenimento. Per quanto riguarda il rinvenimento: per Trinv
Impiego a basse temperature Impiego ad elevate temperature Gli acciai martensitici non vengono impiegati ad elevata T per non eliminare gli effetti della bonifica, a parte l’AISI 410 (fino a circa 650°C). 177
Acciai inossidabili ferritici (non hanno A3 ed A1, e non sono induribili per tempra) Il rischio maggiore è l’ingrossamento del grano. Per 400°C< T< 600°C si ha la fragilità al rinvenimento per 550°C< T< 850°C si ha la precipitazione di fase σ Possono essere sottoposti a ricottura (per migliorare resistenza meccanica ed alla corrosione) ed a ricristallizzazione 178
Impiego a basse temperature La temperatura di transizione (piuttosto elevata) può essere abbassata diminuendo il tenore degli elementi interstiziali (C+N) Impiego ad elevate temperature Gli acciai ferritici hanno una elevata resistenza all’ossidazione (crescente al crescere della %Cr). L’AISI 446 può resistere fino a 1100°C 179
Acciai inossidabili austenititci (hanno A3 ed A1 < 20°C) Sono esposti al pericolo della sensibilizzazione (600- 700°C), che, in determinate condizioni, rende possibile l’attacco corrosivo intergranulare. Per ovviare a tale problema si può: • Diminuire la % di C (fino a 0.02%) • Aggiungere elementi di lega stabilizzanti (Nb,Ti), effettuando il trattamento di stabilizzazione (885°C- 2h) • Effettuare un trattamento di solubilizzazione (1000°C) Fra i trattamenti termici si può ricordare anche la distensione (a 350-450°C) che viene effettuato solo in taluni casi 180
Impiego a basse temperature Impiego ad elevate temperature Si può avere: • Precipitazione di carburi • Segregazione fase σ 181
Acciai per impieghi a bassa T - fino a 0°C : Acciai al carbonio effervescenti e semicalmati; - fino a –20°C : Acciai al carbonio calmati; - fino a –45°C : Acciai al Mn (≅ 1%) calmati e normalizzati; - fino a –80°C : Acciaio 1.5% Ni normalizzato; - fino a –103°C : Acciaio 3.5% Ni normalizzato e rinvenuto a 620°C; - fino a –196°C : Acciaio 9% Ni sia bonificato che normalizzato e rinvenuto; - fino a –269°C : Acciai inossidabili austenitici. Acciai per impieghi ad elevata T Devono resistere allo scorrimento viscoso ed alla ossidazione - fino a 450°C Acciai al C (%C
Acciaio al 13%Mn (acciaio Hadfield) X120Mn12 Amagnetico, estremamente tenace, ha una elevatissima capacità di incrudimento e viene utilizato quando si prevedono delle sollecitazioni contemporanee di urti ed abrasione. Ha una lavorabilità a freddo nulla. Per %Mn>12 si ottiene austenite stabile a 20°C. La composizione tipica è: %C=1.1-1.4 %Mn=11-14 %Si
Ghise Sono leghe ferrose che durante la solidificazione formano, almeno in parte, l’eutettico ledeburitico Il passaggio dal diagramma metastabile (linee continue a quello stabile (linee tratteggiate) è legata alla decomposizione della cementite: Fe3C → 3 Fe + C 184
Nel caso delle ghise, l’influenza dei vari elementi di lega, oltre a riguardare la microstruttura (elementi alfageni e gammageni) e la capacità di formare precipitati (ossidi, carburi, nitruri), deve considerare anche la capacità di agevolare la decomposizione della cementite, ovvero il loro effetto grafitizzante. Il fenomeno della grafitizzazione dipende: - dalla velocità di raffreddamento (natura della parete del getto, grandezza del pezzo), con la grafitizzazione che viene agevolata da velocità di raffreddamento basse. - dalla presenza di elementi grafitizzanti, quali il Si, o di antigrafitizzanti, quali il Mn. I tenori negli elementi normali di elaborazione, Mn, Si, P, sono normalmente più elevati che negli acciai. 185
• Il Si è l’elemento grafitizzante per eccellenza Il tenore di C corrispondente all’eutettico (Ce) diminuisce secondo la relazione: Ce = 4.3 - Si/3.2 • Il Ni ha un effetto grafitizzante 4 volte inferiore a quello del Si • Al, Ti, Zr hanno una influenza simile a quella del Si • Il Cu è un debole grafitizzante e promuove la formazione di perlite • Il Cr promuove la formazione di carburi • Così pure Mo, V, Mn, W • Ta stabilizza i carburi 186
Influenza della velocità di raffreddamento sulla microstruttura Se si considera un tondo di diametro φ crescente, al centro si avranno velocità di raffreddamento via via sempre minori 187
Gli elementi di grafite sono classificati in base a (UNI3775-73): • Forma • Distribuzione • Dimensione Forma degli elementi di grafite I) Lamelle sottili con punte aguzze II) Noduli con accentuate ramificazioni di lamelle III)Lamelle spesse con punte arrotondate IV) Flocculi frastagliati V) Flocculi compatti VI) Noduli a contorno circolare, quasi regolare (sferoidi) 188
Distribuzione degli elementi di grafite A) Distribuzione uniforme B) Rosette non orientate C) Lamelle non orientate D) Lamelle in zone interdendritiche E) Lamelle interdendritiche 189
Le ghise sono tradizionalmente classificate nei seguenti gruppi: • ghise grigie, così chiamate dal colore scuro delle superfici di frattura, grazie alla presenza di carbonio grafitico; • ghise bianche, così chiamate dal colore chiaro delle superfici di frattura, per la presenza del carbonio sotto forma di cementite; • ghise malleabili, così chiamate per la loro elevata deformabilità; • ghise sferoidali, in cui gli elementi di grafite si trovano sotto forma sferoidale; • ghise legate, che , grazie ad elevati tenori di alcuni elementi di lega, sono caratterizzate da particolari proprietà, come la resistenza al calore ed alla corrosione. 190
Ghise grigie Sono dette tali dal colore della superficie di frattura 2 < %C < 4.5 1 < %Si < 3 Durante la solidificazione si forma l’eutettico grafite-cristali γ. Per ottenere la resistenza di un getto di ghisa grigia si utilizza il seguente nomogramma HB provetta R provetta HB getto } R getto 191
Le curve σ - ε non seguono la legge di Hooke E è determinata arbitrariamente con delle formule empiriche oppure con la pendenza fra l’origine ed un punto corrispondente ad una sollecitazione pari ad 1/4 Rm Hanno una buona resistenza all’usura e lavorabilità (per asportazione di truciolo). Sopra i 300°C si hanno: - grafitizzazione e formazione carburi - processi di ossidazione e corrosione - trasformazioni allotropiche 192
Ghise bianche Il carbonio si trova legato a formare cementite. La ghisa solidifica e raffredda secondo il sistema metastabile. Per ottenerla si possono modificare la composizione chimica oppure la velocità di raffreddamento 2.5 < %C < 3.5 (dipende dalla durezza desiderata) %Si < 0.7 Cr (di solito
Ghise malleabili Sono ottenute da ghise bianche Sono caratterizzate da una certa plasticità a freddo Si ottengono mediante malleabilizzazione Si possono avere due processi di malleabilizzazione: • a cuore bianco • a cuore nero Ghise malleabili a cuore bianco Riscaldamento a 900- 1000°C in ambiente decarburante (Fe2O3) • Grafitizzazione • Diffusione del C Permanenza per • Decarburazione superficiale un tempo sufficiente (120- 150h) Raffreddamento a T Piccole sezioni: matrice ferritica ambiente molto lento Grosse sezioni: matrice perlitica 194
Ghise malleabili a cuore nero Riscaldamento a 950°C in ambiente neutro • Grafitizzazione • Diminuzione della solubilità Permanenza per un del C nella austenite tempo sufficiente Raffreddamento a T Matrice prevalentemente ambiente molto lento ferritica La grafite che si ottiene è sotto forma di noduli di ricottura 195
Ghise sferoidali • La grafite precipita sotto forma di noduli • Sono duttili %C = 3.4-4 %Si = 2-3 %Mn = 0.1-0.8 %P < 0.01 %S < 0.02 Gli elementi che permettono la sferoidizzazione della grafite sono Mg, Ce, Ca, Li, Na, Ba. 196 %Mg residuo = 0.04-0.08
Trattamenti termici • Stabilizzazione (540-600°C): per eliminare tensioni interne • Ricottura (850-920°C): per ottenere una struttura ferritica, per ottenere la massima deformabilità plastica • Normalizzazione (900°C): per ottenere struttura perlitica • Bonifica • Tempra superficiale alla fiamma • Tempra superficiale ad induzione 197
Ghise resistenti alla corrosione %Si > 3 promuove la formazione di una pellicola superficiale protettiva negli ambienti ossidanti %Cr < 35 favorisce la formazione di un ossido protettivo agli ambineti ossidanti %Ni < 32 migliora la resistenza agli ambienti riducenti %Cu < 6 migliora la resistenza all’acido solforico Rm = 90-130 MPa Ghise al Si Ghise al Cr Ghise al Ni %C 0.4-1 2-4 2-3 %Si 14-17 0.5-3 1-2.75 %Mn 0.4-1 0.3-1.5 0.4-1.5 %Ni -
Ghise resistenti al calore • Non si deve avere una eccessiva dilatazione per grafitizzazione • La penetrazione dell’ossigeno deve essere perlomeno limitata • Si deve avere una buona resistenza alla criccatura per urto termico Si, Cr promuovono la formazione di uno strato protettivo Ni, Mo aumentano la tenacità ed Rm ad elevata T Mn, P, Cr, Mo, V riducono dilatazione della ghisa, in quanto stabilizzano i carburi Ghisa lamellare Ghisa sferoidale Al Silicio Al Cromo Al Nickel %C 2-2.5 2-3
Leghe di Alluminio (Al) L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà: Rm = 55-90 MPa Re = 20-50 MPa HB = 18 E = 66,6 GPa I prodotti commerciali dell’alluminio sono tipicamente leghe contenenti Cu, Si Zn, Mg e Mn 1xxx Al di purezza industriale 2xxx Leghe contenenti Cu 3xxx Leghe contenenti Mn 4xxx Leghe contenenti Si 5xxx Leghe contenenti Mg 6xxx Leghe contenenti Mg + Si 7xxx Leghe contenenti Zn 8xxx Altre leghe 200
Trattamenti termici leghe Al • Omogeneizzazione: Sono dei riscaldamenti effettuati a 450-610°C per 6-48 ore effettuati per disciogliere tutte le fasi eventualmente precipitate. • Trattamenti di addolcimento: hanno lo scopo di addolcire un metallo indurito (p.e. a seguito di tempra strutturale). Se si tratta di restaurazione viene effettuata a 200-300°C, mentre se si tratta di una recristallizzazione si effettua a 300-400°C per 0.5-3 ore • Tempra di soluzione (o tempra strutturale) + invecchiamento (naturale o artificiale) 201
Leghe di Rame (Cu) L’Al puro è caratterizzato dalle seguenti proprietà: Rm = 23-50 MPa Re = 7-30 MPa HB = 40 E = 117 GPa Le leghe più diffuse sono quelle con: • Zn (ottone) • Sn (bronzo) • Si (bronzo al silicio) • Al (bronzo all’alluminio o cupralluminio • Ni (cupronichel, monel) 202
Saldatura degli acciai La saldatura dei materiali metallici è un processo tecnologico che consiste nel fornire continuità meccanica e metallica a due o più lembi mediante fusione (e/o pressione) e successiva solidificazione. Sorgenti di energia impiegate in saldatura, da sole o in coppia: • Elettriche Arco Plasma Scintillio Effetto Joule Fascio elettronico • Laser • Meccaniche Urto Pressione Esplosione Attrito Ultrasuoni •Chimiche Fiamma Reazioni esotermiche 203
Tecniche di saldatura • Saldatura per fusione Ad elettrodi rivestiti Ad arco sommerso Ad arco In atmosfera gassosa Elettrogas Plasma Chimica { Gas Alluminotermica Fisica { Fascio elettronico Laser Elettroscoria • Saldatura per pressione Elettrica { Resistenza Scintillio Induzione Meccanica { Esplosione Attrito Ultrasuoni Fuoco { Bollitura 204
Rappresentazione tridimensionale di un cordone di saldatura formato da una sorgente termica in movimento v = velocità movimento sorgente (m/s) W = potenza erogata (kJ/s) Quantità di energia disponibile per unità di lunghezza H = W/v (kJ/m) Rapporto di diluizione Rd = vol. metallo base fuso/vol. totale zona fusa 205
1 Liqu. 4 3 2 1538 1 1394 2 δ T [°C] HV γ 912 3 727 4 α 0.02 0.2 0.77 %C 206
Evoluzione della temperatura nel tempo al crescere della distanza dal cordone di saldatura 207
• Zona 1: La temperatura non supera i 600°C circa • Zona 2: La temperatura è compresa fra 600°C ed Ac1 • Zona 3: La temperatura è compresa fra Ac1 ed Ac3 • Zona 4: La temperatura è compresa fra Ac3 e 1100°C circa • Zona 5: La temperatura è compresa fra 1100 e 1500°C (fusione). • Zona sotto cordone: nei vari punti del cordone, per velocità di raffreddamento decrescenti, si ottengono strutture martensitiche, bainitiche e ferriito-perlitiche. 208
Influenza delle dimensioni del grano nel metallo base e nella zona di legame sulla struttura di solidificazione Possibili difetti macroscopici in una saldatura testa-testa in ZF o in ZTA 209
I principali problemi metallurgici della ZF sono: • Protezione dall’ambiente del bagno metallico • Condizioni di raffreddamento I problemi relativi alla solidificazione sono principalmente tre: • Formazione di strutture dendritiche • Formazione di cavità di ritiro • Inglobamento di particelle non metalliche (ossidi, scorie,…) La composizione del metallo di apporto deve essere simile a quella del metallo base, con le seguenti modifiche: • %C inferiore a quello del metallo base (p.e. 0.1% contro lo 0.2%) • Mo quasi sempre presente perché aumenta di molto la resistenza del giunto senza intaccare la tenacità (0.15-0.75%) • Ni generalmente più alto del metallo base, per le stesse ragioni del Mo • Si, S, P e V ridotti al minimo 210
Lateralmente alla ZF si trova no due ZTA che possono subire, dopo una parziale oppure totale austenitizzazione, varie trasformazioni a seconda dell’apporto termico e della velocità di raffreddamento Per la saldabilità di un acciaio si può utilizzare come parametro il Carbonio equivalente CE: Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Cu+%Ni)/15 • Ceq < 0.4% : non ci sono particolari problemi metallurgici • 0.4< Ceq < 0.60 : si prescrive il preriscaldo dei lembi • Ceq > 0.60% si prescrivono sia un pre che un postriscaldo 211
Precipitazione di carburi in zona termicamente alterata 212
Corrosione E’ il processo antitetico a quello della metallurgia estrattiva in quanto il metallo tende a riassumere una forma ossidata non dissimile da quella originaria del minerale. Tale processo è caratterizzato da una variazione negativa di energia libera (∆G
Morfologie di corrosione 214
Lo schema elementare per introdurre il fenomeno della corrosione è quello di due metalli diversi a contatto fra loro e con una soluzione acquosa Na+ Cl- Na+ Cl- Ferro Rame Il metallo meno nobile, in questo caso il ferro, si ossida secondo la reazione anodica: Fe = Fe++ + 2e- Sulla superficie del metallo più nobile (in questo caso il rame) si verifica una delle due reazioni catodiche, secondo la presenza o meno di ossigeno: Reazione catodica con ossigeno: 1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OH- Reazione catodica senza ossigeno: 2 H2O + 2e- = H2 + 2OH- 215
Na+ Cl- Na+ Cl- OH- Fe2+ Ferro Rame anodo catodo La velocità di corrosione è un parametro che misura il passaggio di elettroni; nel caso di corrosione generalizzata, è esprimibile dalla densità di corrente elettrica (A/m2) che passa tra catodo ed anodo o dalla variazione di peso dell’anodo nell’unità di tempo e di superficie (mg/dm2 giorno) o di perdita di spessore dell’anodo nell’unità di tempo (mm/anno). 216
Serie galvanica dei potenziali in acqua di mare Platino Oro Argento Titanio Acciaio inossidabile passivo Leghe di Ni Rame Acciaio inossidabile attivo Acciaio al carbonio Alluminio Zinco Magnesio La corrosione si manifesta anche in presenza di un solo metallo grazie alla formazione sulla superficie del metallo di microzone anodiche e catodiche che cambiano di posizione casualmente nel tempo e nello spazio. Macroscopicamente si ottiene un attacco corrosivo generalizzato del metallo. 217
Corrosione galvanica Corrosione uniforme Corrosione localizzata Corr. sotto schermo Pit crevice 218
Metodi di protezione contro la corrosione • Metodi cinetici: permettono di agire direttamente sulla velocità di corrosione. In tale categoria possono essere ricordati: - l’impiego degli inibitori; - l’impiego dei rivestimenti; -in una certa misura, la passivazione anodica, in cui il metallo viene portato nelle sue condizioni di passivazione, ovvero riesce a formare uno strato uniforme, sottile, compatto, ed aderente di ossido superficiale che svolge un ruolo protettivo. • Metodi termodinamici: essi consistono nel far “funzionare” il metallo in condizioni di immunità. Si possono citare in tale categoria: - la scelta del metallo; - la protezione catodica, che permette di posizionare il metallo nella sua zona di immunità. 219
Impiego di rivestimenti Si possono distinguere: • Rivestimenti metallici, ottenuti per: - elettrolisi (Zn, Ni, Cr, Cu, Cd, ...) - immersione (Zn, Sn, Al) - diffusione di un elemento di lega (Zn, Al) - placcatura, su prodotti piani durante la laminazione a caldo (saldatura per diffusione). Sono placcati anche su acciaio al carbonio: acciai inossidabili, ottone, nickel, cupro-nickel, rame, ... . • Rivestimenti non metallici - pitture, vernici contenenti eventualmente degli inibitori di corrosione; - smalti, vetri; - materie plastiche, gomme; - fosfatazione; - ossidazione anodica (Al) oppure chimica (Mg). 220
Corrosione degli acciai inossidabili Gli acciai inossidabili sono così denominati grazie alla loro caratteristica resistenza alla corrosione, dovuta alla formazione di un film protettivo passivante legato alla presenza del Cr. Diversi sono i parametri che influenzano la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili: • acidità del mezzo aggressivo (pH); • tenore in ioni alogenuri (essenzialmente Cl-); • potere ossidante della soluzione aggressiva; • temperatura. Questi acciai hanno una buona resistenza alla corrosione generalizzata, dipendente dalla loro composizione chimica, ma risultano sensibili ad alcune forme di corrosione localizzata: •Vaiolatura (pitting); •Corrosione cavernosa; •Corrosione sotto sforzo; •Corrosione intergranulare 221
Vaiolatura Affinché si possa avere si debbono verificare contemporaneamente le tre seguenti condizioni: •Ambiente ossidante •Presenza di ioni alogenuri (ad esempio Cl-) •Metallo passivabile (ad esempio acciaio inossidabile) Caso tipico è quello di strutture in acciaio inossidabile austenitico immerse in acqua di mare (ambiente ossidante contenente ioni Cl-) Corrosione cavernosa Attacco corrosivo localizzato in cui fenomeni di idrolisi, diminuzione del pH e la presenza degli ioni Cl- giocano un ruolo importante. Corrosione sotto sforzo La corrosione sotto sforzo avviene ogni qual volta si hanno degli sforzi (esterni, residui post-saldatura, dovuti a trattamenti meccanici o termici ...) in presenza di ambienti clorurati. Gli acciai inossidabili austenitici subiscono in queste condizioni una fessurazione transgranulare piuttosto importante, mentre gli acciai inossidabili ferritici sembrano essere meno sensibili a questo tipo di corrosione σ σ 222
Corrosione intergranulare Affinché si abbia questa forma di attacco corrosivo, il metallo deve subire un processo di sensibilizzazione ovvero permanere per tempi sufficienti a temperature comprese fra 500 ed 800°C, con conseguente precipitazione a bordo grano di carburi di Cromo del tipo Cr23C6. Nel caso questa precipitazione sia molto spinta si può avere una depassivazione di queste zone, che divengono anodiche al contatto con il mezzo aggressivo. Un caso tipico è quello della corrosione intergranulare nelle zone sensibilizzate nel caso di saldatura di acciai inossidabili I rimedi sono: • Solubilizzazione dei carburi precipitati (1000°C); • Impiego di acciai a basso tenore di C (< 0,02%) • Aggiunta di elementi tipo Ti, Nb, V, Ta (detti stabilizzanti) e trattamento di stabilizzazione (permanenza a 885°C per due ore, quindi raffreddamento in aria) in modo da far precipitare i carburi degli elementi aggiunti e NON di cromo. 223
Puoi anche leggere