Ferro, Acciaio e Ghisa

Ferro

Il Ferro è un materiale metallico con una densità di 7.8 kg/dm³ e temperatura di fusione pari a 1536°C. Allo stato puro ha scarse proprietà meccaniche in quanto presenta una bassa resistenza a trazione, bassa durezza e bassa resistenza a corrosione. In generale viene utilizzato per applicazioni in cui non vengono richieste elevate prestazioni. Anche se viene chiamato semplicemente ferro in realtà presenta una piccola percentuale di carbonio minore dello 0.05%. Essendo un materiale policristallino la sua struttura cristallina cambia al variare della temperatura.

Acciaio

Gli acciai sono una lega di ferro e carbonio con percentuale che va dallo 0.05 % al 2.1 %, anche se gli acciai commerciali in genere non superano l’1%. Presentano una buona resistenza meccanica a trazione, alta elasticità, buone proprietà meccaniche e bassa durezza.

 In questo caso si presenta come una lega binaria in quanto formato solo da ferro e carbonio e viene detto acciaio non legato.

Gli acciai non legati vengono classificati in due categorie:

• dolci: se la percentuale di carbonio va dallo 0.05 % al 0.4%
• duri: se la percentuale di carbonio va dal 0.4% al 1%

In figura si distinguono le sottocategorie:

Il riferimento principale per l’acciaio non legato è il diagramma Ferro-Carbonio (o ferrite-cementite) dal quale si evincono le temperature di trasformazione e di fusione al variare della percentuale di carbonio nel ferro. Il punto più interessante è quello in corrispondenza dello 0.77%C chiamato “punto di Eutettico”, in corrispondenza del quale l’acciaio è detto “Eutettoidico”. Questo indica la perfetta miscelazione tra ferro e carbonio dalla quale ha origine la perlite. Se la percentuale è minore l'acciaio viene detto IPO- eutettoidico e presente una abbondanza di ferrite, oppure se la percentuale è maggiore l'acciaio viene detto IPER- eutettoidico con una abbondanza di cementite.

Nella designazione alfanumerica ISO 10027 vengono indicati con una C seguita da un numero indicante 100 volte la percentuale di carbonio contenuta in lega. Ad esempio un acciaio non legato contenete lo 0,35% di carbonio viene indicato con C35, se contiene il 60% di carbonio allora C60.

Per migliorare alcune proprietà possono essere aggiunti altri elementi in lega quali nichel, cromo, molibdeno, allumino, rame... in funzione dei risultati che si vogliono attribuire; questi vengono chiamati elementi di alligazione. Altri elementi invece restano presenti durante il processo di lavorazione in fonderia anche se si riduce in più possibile la loro presenza finché non diventi irrilevante. Eliminarli completamente significherebbe avere un processo molto lungo e costoso. Questi vengono chiamati elementi inquinanti.

Si riportano in modo sintetico le proprietà che conferisce ciascuno di essi:

• Nichel, Cromo, Molibdeno: aumentano la durezza a freddo
• Vanadio: aumenta la durezza a caldo
• Manganese: aumenta la saldabilità e la fucinabilità ( max 0,8%)
• Silicio: aumenta l’elasticità
• Cobalto, Tungsteno (Wolframio): vengono utilizzati per acciai rapidi per utensili
• Titanio: disossida e affina il grano cristallino
• Alluminio: aumenta la truciolabilità
• Zolfo: aumenta la truciolabilità ma sotto lo 0.3%, al disopra è un inquinante perché aumenta la fragilità a caldo
• Azoto: aumenta la durezza

 Acciai strutturali

Sono acciai costituiti solo da ferro e carbonio in basse percentuali, sono economici e sono utilizzati per creare strutture collegate tramite filettature, chiodature o saldature. Sono forniti in forme semplici e commerciali come barre, lastre, tubolari o scatolati.

 Acciai per trattamenti termici

Sono acciai la cui composizione chimica è adatta a subire trattamenti termici ovvero durante questi non perdono le loro caratteristiche ma le migliorano. Vengono classificati in acciai per: 

• Tempra
• Bonifica 
• Cementazione 
• Nitrurazione 

Per i trattamenti termici vedi:

Acciai per molle

Sono acciai utilizzati per applicazioni in cui è richiesta un'elevata elasticità come appunto le molle. Sono formati da carbonio dallo 0,5% all'1% e silicio dall'1% al 2%

 Acciai per utensili

Sono utilizzati per la costruzione di utensili e nella designazione vengono per contrassegnati dal simbolo KU. Si dividono in quattro categorie: 

• Acciai non legati: vengono utilizzati per semplici utensili quali cacciaviti, lime, scalpelli o comunque utensili che lavorano a basse velocità 
• Acciai per lavorazioni a freddo: sono utilizzati per la costruzione di strumenti di misura quali calibri, micrometri, ecc
• Acciai per lavorazioni a caldo: sono utilizzati per strumenti e utensili per lavorare materiali a bassa durezza come le plastiche 
• Acciai rapidi: sono utilizzati per costruire frese o utensili per tornio. 

Acciai inossidabili (INOX)

Sono acciai che presentano un'alta resistenza all'ossidazione grazie agli elementi contenuti in lega che gli permetto di sviluppare la proprietà della passivazione. Per essere definiti tali presentano sempre Ni, Cr e Mo di cui il Cr con una percentuale maggiori al 10,5%. Questi si dividono in tre categorie:

• Acciai inossidabili ferritici: hanno un basso contenuto di carbonio (minore dello 0,3%), basso limite di snervamento e una moderata resistenza a corrosione. Sono economici quindi utilizzati per vasellame, posate o elementi di arredo.
• Acciai inossidabili austenitici: Hanno una bassa percentuale di carbonio ma contengono Nichel oltre il 10% il quale stabilizza l'austenite a temperatura ambiente. Sono di buona qualità e presentano un'elevata resistenza a corrosione. Sono utilizzati per pentole, autoclavi, industria alimentare.
• Acciai inossidabili martensitici: presentano un'elevata percentuale di carbonio( circa 1%) e presentano buone proprietà meccaniche. Viene utilizzata per bisturi, coltelli,  cuscinetti, parti di motori.

Designazione

La designazione degli acciai indica il modo in cui questi vengono classificati in funzione delle loro caratteristiche.

La normativa UNI EN 10027 si basa su due criteri fondamentali di cui uno numerico e uno alfanumerico.

La designazione numerica prevede l'utilizzo di un codice a cinque cifre:

• Il primo numero specifica il tipo di materiale
• il secondo e il terzo il gruppo
• Il quarto e il quinto le proprietà del materiale.

Il significato dei numeri viene specificato in una tabella apposita.

La designazione alfanumerica invece prevede l'utilizzo di numeri e lettere e viene divisa in due gruppi: 

• Gruppo 1: viene utilizzata una lettera per indicare l'utilizzo seguita da numeri che ne determinano alcune caratteristiche come da esempio carico elastico Re, carico di rottura Rm, ecc.
• Gruppo 2: in questo caso si utilizzano lettere e numeri per specificare percentuale di carbonio oppure la percentuale di altri elementi presenti in lega. Questo gruppo a sua volta è suddiviso in quattro sottogruppi.

1. Acciaio non legato: l'acciaio è formato solo da ferro e carbonio. Viene indicato con la lettera C seguito da un numero che rappresenta cento volte la percentuale di carbonio presente nella lega. Si riportano gli esempi anticipati in alto: un acciaio non legato contenete lo 0,35% di carbonio viene indicato con C35, se contiene il 0,6% di carbonio allora C60.
2. Acciaio debolmente legato o basso legato: nella lega ferro carbonio sono presenti altri elementi in lega ma nessuno di essi supera il 5%. Non viene utilizzata una lettera iniziale ma direttamente un numero che indica 100 volte la percentuale di carbonio. Seguono gli elementi chimici presenti in lega con un numero che indica la percentuale presente moltiplicata per un fattore numerico. 13NiCr16 indica un acciaio basso legato con 0,13% di carbonio 4% di nichel con presenza di cromo non specificata

• 3. Acciaio fortemente legato o alto legato: in questo caso c'è almeno un elemento in lega che supera il 5%. Viene indicato con una X seguita da un numero che rappresenta cento volte la percentuale di carbonio. Seguono gli elementi in lega con la rispettiva percentuale elencati in ordine decrescente. X34NiVCo10 5 3 indica un acciaio alto legato con lo 0.34% di carbonio,  10% di nichel, 5% di vanadio, 3% di cromo.
• 4.Acciai rapidi: sono acciai utilizzati per gli utensili. Sono indicati dalle lettere HS seguiti da quattro numeri che definiscono la percentuale dei quattro elementi in lega sempre nello stesso ordine:  tungsteno molibdeno vanadio e cobalto. HS 16 4 6 9 indica un acciaio rapido con 16% di tungsteno 4% molibdeno 6% vanadio 9% cobalto.

Ghise

Le ghise sono una lega di ferro e carbonio con percentuale che va dal 2.1% % al 6.7 %, anche se le ghise commerciali in genere vanno dal 3% al 4%. La ghisa è chiamata lega quaternaria in quanto so no presenti in lega anche silicio e manganese. .Il carico di rottura va da 100 a 1000 MPa, durezza da 100 HB a 400 HB, hanno mediocre truciolabilità, scarsa malleabilità, ottima fusibilità. La temperatura di fusione si aggira intorno ai 1200°C. Esistono due tipi principali di ghise:

• Ghise bianche: sono caratterizzati da una percentuale di manganese maggiore dell'1% la quale aumenta la formazione di cementite e subiscono un raffreddamento veloce. Sono utilizzati per elementi fusi con elevata durezza superficiale e resistenti all’usura come per cilindri per laminatori, tombini stradali,… Vengono designati dalla sigla GB seguita dagli elementi in lega e rispettiva percentuale: GB Cr 10 ghisa bianca con il 10% di Cromo in lega
  Dalla ghisa bianca si ricava la ghisa malleabile ovvero si sottopone la ghisa bianca ad un trattamento termico di malleabilizzazione dalla durata da 10 a 100 ore a circa 1000°C per migliorare snervamento e duttilità.
• Ghise grigie: sono costituite da una maggiore percentuale di silicio il quale aumenta la stabilizzazione della grafite oltre la cementite. Hanno un'ottima colabilità, buona lavorabilità alle macchine utensili (MU)e una media resistenza all'usura.

  Sono utilizzati per la costruzione di bancali per MU, basamenti motori, testate motori diesel, tubi, valvole tombini. Nella designazione vengono indicate dalle lettere EN-GJ. In base alla formazione della grafite si dividono in ghise grigie lamellari e ghise grigie sferoidali.

  Le ghise grigie lamellari presentano delle lamelle che fungono da "discontinuità" della matrice ferrosa e per questo motivo riducono il carico di rottura che va da 400 MPa in basso. Vengono indicata dalle lettere EN GJ  seguita dalla lettera L (lamellare) e dal carico di rottura. Ad esempio EN GJ S 350 Indica una ghisa grigia lamellare con cario di rottura di 350 MPa.

  Le ghise grigie sferoidali presentano dei globuli che rendono la struttura più omogenea rendendola meno fragile. Il carico di rottura arriva fino a 1000MPa e allungamento al 20%. Vengono indicata dalle lettere EN GJ  seguita dalla lettera S (sferoidale), dal carico di rottura e dall'allungamento percentuale. Ad esempio EN GJ S 350 10 Indica una ghisa grigia sferoidale con cario di rottura di 350 MPa e allungamento del 10%.