Acciaio

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L’acciaio è una lega composta principalmente da ferro e carbonio, quest’ultimo in percentuale non superiore al 2,11%: oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa. Con il termine acciaio si intende una famiglia di leghe ferrose, distinte in base al contenuto di carbonio (detto anche tenore di carbonio), che possono avere caratteristiche e proprietà anche molto diverse. 

Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise. In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in:

  • extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%;
  • dolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25%
  • semidolci: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%;
  • semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%;
  • duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%;
  • durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%;
  • extraduri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%.

Oltre al carbonio possono essere presenti degli ulteriori elementi alliganti aggiunti per lo più sotto forma di ferroleghe. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in quattro gruppi:

  • acciai non legati sono acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati dal prospetto I della UNI EN 10020;
  • acciai legati sono acciai per i quali almeno un limite indicato del suddetto prospetto I viene superato. Per convenzione gli acciai legati si suddividono in:
    • bassolegati: nessun elemento al di sopra del 5%,
    • altolegati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%.

Trattamenti termici

Riscaldando ad una determinata temperatura alcune leghe, mantenendole a tale temperatura per un tempo adeguato e raffreddandole più o meno rapidamente si verificano variazioni nella struttura del materiale che ne modificano le proprietà. Perciò è possibile, per mezzo di opportune operazioni di riscaldamento e successivo raffreddamento (con tempi e temperature ben determinate) ottenere l’aumento delle caratteristiche meccaniche che ci interessano (resistenza meccanica, elasticità, lavorabilità, tenacità, ecc.). Questa serie di operazioni costituiscono i trattamenti termici. Durante il riscaldamento il riscaldamento il metallo rimane sempre allo stato solido e non viene mai portato a fusione. La scelta di un particolare trattamento termico e delle modalità di esecuzione dipendono dal materiale e dalle proprietà che si vogliono conferire al materiale. Il riscaldamento avviene in forni appositi ad atmosfera controllata per evitare l’ossidazione (più rapida alle alte temperature) o in bagni di appositi sali portati a fusione. Il successivo raffreddamento può essere rapido (eseguito in acqua o olio) o lento (in forno) per ottenere le caratteristiche richieste. I trattamenti termici di materiali ferrosi sono caratterizzati dal fatto che a particolari temperature (dette temperature critiche, rilevabili dai diagrammi di stato) avvengono particolari trasformazioni strutturali che vengono fissate (o impedite) variando opportunamente le temperature di riscaldamento e le velocità di raffreddamento.

L’acciaio può essere sottoposto a diversi tipi di trattamenti termici che hanno influenza sul loro comportamento meccanico. I più importanti fra questi trattamenti sono:

  • Tempra: consiste nel riscaldare l’acciaio fino a temperature superiori a quelle in cui si ha la trasformazione in austenite (soluzione solida di carbonio nel ferro ottenibile con temperature superiori a 768°C) e nel raffreddarlo poi rapidamente con un mezzo opportuno (olio, acqua, aria); alle basse temperature la velocità di trasformazione di fase cade a valori trascurabili e si ottengono in questo modo, negli acciai a temperatura ambiente, microstrutture metastabili che impartiscono alla lega qualità pregiate come la durezza superficiale e la resistenza meccanica. La tempra ha lo scopo opposto a quello della ricottura, provocando nel materiale un notevole aumento di durezza e resistenza meccanica. Il trattamento si esegue riscaldando l’acciaio ad una temperatura compresa tra i 790 °C ed i 910 °C (in relazione alla percentuale di carbonio) e raffreddando rapidamente il pezzo. Il brusco raffreddamento fissa a temperatura ambiente una struttura cristallina (martensite) che, a questa temperatura, non potrebbe esistere. Questa struttura è caratterizzata da elevata durezza e resistenza meccanica ma è altresì estremamente fragile. Parametro fondamentale nel trattamento di tempra è la velocità critica di raffreddamento, intesa come la minima velocità di raffreddamento alla quale si forma la struttura cristallina sopracitata. Per avere una tempra soddisfacente la velocità di raffreddamento deve essere maggiore di quella critica. Per pezzi di grandi dimensioni o di forme complesse è indispensabile garantire un raffreddamento uniforme; in caso contrario si generano tensioni interne al materiale di entità tale da portare a deformazioni e rotture. Come mezzi di raffreddamento si utilizzano (in ordine crescente di capacità raffreddante): olio, acqua, acqua salata.
  • Ricottura: consiste nel riscaldare l’acciaio sopra la temperatura di trasformazione di fase e nel mantenerlo a tale temperatura in modo di favorirne la trasformazione raffreddandolo poi a velocità controllata. La ricottura ha lo scopo di conferire all’acciaio dolcezza, omogeneità, lavorabilità all’utensile e malleabilità. Inoltre la ricottura distrugge gli effetti di trattamenti termici precedenti oppure gli effetti di lavorazioni plastiche (laminazione, trafilatura, stampaggio) che possono aver incrudito il materiale. Per eseguire la ricottura si opera un riscaldamento a temperature variabili tra i 900 °C per gli acciai dolci e i 750 °C per gli acciai duri a più elevato tenore di carbonio. Raggiunta la temperatura desiderata la si deve mantenere per un tempo sufficiente a formare la struttura desiderata in tutto il pezzo. Il raffreddamento viene eseguito in forno, molto lentamente. Per tutta la durata del trattamento l’atmosfera dal forno deve essere attentamente controllata.
  • Rinvenimento: il rinvenimento elimina le tensioni interne prodotte dal trattamento di tempra e, riducendo la fragilità, migliora la tenacità dell’acciaio. È un trattamento che ha luogo dopo la tempra e si effettua a temperature variabili a seconda delle caratteristiche che si vogliono ottenere. Dopo il riscaldamento il pezzo viene raffreddato in acqua o olio. Durante il riscaldamento la pellicola di ossidi sulla superficie del pezzo assume colorazioni caratteristiche (non luminose) in rapporto alla temperatura raggiunta.
Colore della pellicola di ossidiTemperatura [°C]
Grigio chiaro220
Giallo paglia230
Giallo oro243
Marrone255
Marrone chiazzato porpora265
Porpora277
Blu scuro288
Blu brillante297
Blu chiaro321
  • Bonifica: il ciclo di trattamenti termici di tempra e rinvenimento eseguiti in successione prende il nome di bonifica, ed ha lo scopo di ottenere un compromesso fra le diverse caratteristiche degli acciai. Di particolare importanza è il trattamento di bonifica isotermica che consiste in un riscaldamento alle temperature proprie della tempra, in un primo raffreddamento fino a temperature di poco inferiori ai 700 °C, che vengono mantenute per tempi opportuni (necessari per ottenere le forme cristalline desiderate), e il raffreddamento finale fino alla temperatura ambiente. Alcuni particolari costruiti in acciaio possono richiedere elevate durezze superficiali, senza uno scadimento delle caratteristiche di tenacità. Il trattamento di tempra (o di bonifica) non è in grado di rispondere totalmente a questi requisiti; per ovviare a ciò si ricorre ai trattamenti termochimici di diffusione superficiale: cementazione e nitrurazione.
  • Cementazione: la cementazione si effettua riscaldando l’acciaio ad elevate temperature (specifiche per ogni acciaio e per ogni agente carburante) a contatto con materiali capaci di cedere carbonio agli strati superficiali del pezzo. L’accresciuta percentuale di carbonio aumenta drasticamente la durezza degli strati interessati, lasciando il cuore a tenacità elevata.
  • Nitrurazione: ha gli stessi scopi della cementazione ma viene eseguita in condizioni differenti. L’acciaio, specifico da nitrurazione, viene riscaldato a 500-530 °C per 50-100 ore a contatto di una corrente di ammoniaca. A tali temperature l’ammoniaca si decompone in idrogeno ed azoto atomico che penetra negli strati superficiali del pezzo, aumentandone di molto la durezza. Lo spessore dello strato indurito dalla nitrurazione è più ridotto di quello cementato ma presenta maggiori durezze e migliori doti di resistenza alle alte temperature ed alla corrosione. In fase di riscaldamento l’acciaio assume colorazioni distintive (luminose), caratteristiche della temperatura raggiunta, riassunte nella tabella seguente:
ColoreTemperatura [°C]
Rosso nascente650
Rosso scuro700
Rosso ciliegia nascente750
Rosso ciliegia800
Rosso ciliegia chiaro850
Rosso chiaro900
Arancio950
Giallo1100
Giallo chiaro1150
Giallo chiarissimo1200
Bianco1250
  • Normalizzazione: consiste in un riscaldamento di austenitizzazione seguito da un raffreddamento in aria calma. Il suo scopo è quello di regolarizzare, omogeneizzare e ridurre i cristalli presenti negli acciai (la cosiddetta grana), di distruggere le tensioni di fucinatura, di rigenerare l’acciaio surriscaldato e di migliorare la tenacità. Si esegue riscaldando il pezzo a temperatura di poco superiore a quella di ricottura, per un tempo sufficiente a riscaldare tutto il pezzo e raffreddando in aria calma.

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