Acciaio la Storia Moderna.
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Varietà di acciaio
Il Ferro incontra gli altri Elementi
Abbiamo evidenziato che questa lega, l’acciaio, è data dalla fusione e cristallizzazione di due elementi, il Ferro e il Carbonio. In realtà, per il solo fatto di aver utilizzato come materie prime rocce e fanghi, ne è derivato che in minima o (raramente) larga parte, nel composto in fusione siano rimasti residui di altri elementi chimici normalmente presenti nel suolo terrestre.
Le pratiche di produzione, ma soprattutto l’utilizzo delle materie prime per ottenere acciaio, sono rimaste immutate dal 1800 a.C. fino a circa tutto il 1800, oltre 3600 anni di storia.
Antoine Lavoisier nel 1789 elabora la Teoria della Conservazione di Massa, cardine fondamentale per lo sviluppo della chimica moderna. Da quel momento in poi lo studio teorico trova immediata applicazione e si sperimentano modi e metodi nuovi di sintesi delle sostanze o di estrazione, purificazione, fusione. Dopo l’invenzione dei forni per il Wootz nella Corea del V secolo a.C. fino all’epoca moderna si erano evolute solo le dimensioni dei crogioli. Nulla più. Fino alla fine del 1800 anche con l’impiego degli altiforni, si era prodotta solo e soltanto ghisa, destinata, come purtroppo sappiamo, agli armamenti. Se la ghisa andava bene per cannoni e bombarde, non era adatta per esempio per i binari dei treni.
Sapendo che le caratteristiche dell’acciaio variano al variare della percentuale di Carbonio, si iniziarono a fare delle prove.
Una delle prime innovazioni, fu quella di cementificare il Ferro, ovvero di scaldarlo in presenza di Carbonio per far indurire gli strati più superficiali. Il moderno processo che è in uso si definisce Carbocementificazione.
L’altra strada fu quella di riprendere la ghisa, farla fondere agitandola in modo che il carbonio si unisse all’aria compressa insufflata nel materiale in fusione. Nei forni Bessemer la ghisa perdeva una percentuale di Carbonio che scendeva anche sotto la soglia del 2%, ma l’acciaio continuava ad avere caratteristiche scarse, inquinato, per esempio, dall’Azoto presente nell’aria.
Il processo Bessemer, ovviamente modificato (insufflando ossigeno, per esempio, al posto dell’aria) è responsabile ancora oggi della produzione del 60% dell’acciaio mondiale.
Alla fine del 1800 partì una gara di ingegno per ottenere materiali migliori, fu seguita la strada di (provare) ad addizionare altri elementi alle fusioni e osservare cosa accadeva.
Si notò che aggiungendo percentuali variabile di altri elementi, nel frattempo siamo arrivati intorno al 1950, cambiavano le caratteristiche delle fusioni in termini di resistenza, elasticità dilatabilità.
Si aggiunsero e si tolsero Cromo, Nichel, Molibdeno, Tungsteno, Wolframio, Silicio, Manganese, Zolfo, Fosforo.
Gli effetti della presenza dei singoli elementi, sono riassumibili in questo schema
| Alluminio Al. Come il Cr e il Mo aumenta la durezza superficiale. | Silicio Si. Sempre presente in basse %. Aumenta l’elasticità, ottimo per le molle. |
| Boro B. Rende l’acciaio più resistente ad alte temperature. | Wolframio W. Presente negli acciai per utensili. Aumenta resistenza ad alte temperature. |
| Cobalto Co. Aumenta la durezza. Impiegato per utensili. | Titanio T. Elimina i fenomeni di corrosione anche nella profondità dei pezzi. |
| Cromo Cr. Aumenta la durzza e la resistenza all’usura. In % superiori a 10, rende l’acciaio inossidabile. | Piombo Pb. Aumenta la lavorabilità al tornio e alle frese. |
| Nichel Ni. Di solito presente insieme al Cr. Aumenta la tenacità e la lavorabilità. | Zolfo S. Aumenta la lavorabilità, ma diminuisce la resistenza. |
| Manganese Mn. Impedisce l’ossidazione e aumenta la resilienza. | Vanadio V. Aumenta la durezza a elevate temperature. |
| Molibdeno Mo. Sempre insieme a Cr e Ni aumenta la resistenza meccanica. |
Ovviamente, leghe diverse, sono destinate ad usi diversi. Iniziamo col dire che esistono
- acciai non legati (presenza solo di Fe e C)
- acciai legati (presenza di altri elementi chimici in % variabili).
- acciai fortemente legati, quando un componente supera il 5%
Classificazione degli acciai
Si identificano in vari modi e a secondo di vari criteri.
Per una trattazione esaustiva si rimanda a questo allegato
ma noi cercheremo di semplificare.
Primo criterio, in base al tenore di Carbonio. Sono semplicemente classificati dalla lettera C e da un numero che ne indica la quantità moltiplicata per 100
Un acciaio C40 conterrà lo 0.4% di C.
| acciai extra dolci (meno dello 0,15%), generalmente impiegati per produrre lamiere, tubi e bulloni; | acciai duri (da 0,50% a 0,9%), generalmente impiegati per produrre rotaie, cavi e tondi da armatura; |
| acciai dolci (da 0,15% a 0,25%), generalmente impiegati per produrre chiodi e “ferri” da costruzione; | acciai extra duri (da 0,9% a 2% e oltre), generalmente impiegati per produrre coltelli, seghe e molle. |
| acciai semiduri (da 0,25% a 0,50%), generalmente impiegati per produrre parti meccaniche; |
Altra classificazione si basa sulle norme UNI EN 10027 e si categorizzano gli acciai in base all’impiego finale, alla composizione chimica, e alle caratteristiche meccaniche (non espresse in tabella)
| S (per impieghi strutturali) | R (per rotaie) |
| P (impieghi sotto pressione) | H (prodotti piani laminati a freddo ad alta resistenza) |
| L (tubi di condutture) | D (prodotti piani per formatura a freddo) |
| E (per costruzioni meccaniche) | T (per imballaggi) |
| B (per cemento armato) | M (acciai magnetici) |
| Y (per cemento armato precompresso) |
A questa prima semplice classificazione ne seguono altre che sottostanno a norme complesse. Per fare un esempio, lo stesso acciaio può essere identificato con
| identificazione alfa numerica
| identificazione numerica | identificazione AISI ASTM |
| X12Cr13 | 1.4006 | 410 |
Gli acciai sono contraddistinti dunque da sigle e la lettera X, che non compare nella tabella, indica acciai fortemente legati con altri elementi.
Nel tempo, gli acciai X sono stati utilizzati prevalentemente nei processi alimentari e le regole per descriverlo sono complesse.
Fe e C non sono indicati, è scontata la loro presenza. La % in peso del C è indicata da un numero che va diviso per 100.
Sono poi indicati gli altri elementi, tutti in fila e infine le loro % a meno che non siano inferiori all’1%
Un esempio. Un acciaio X50CrNiMo1810 è composto da
0.5% Carbonio – 18% Cromo – 10% Nichel – meno dell’1% Molibdeno.
Per concludere, se per oltre 3 millenni la produzione dell’acciaio ha subito poche variazioni, la chimica moderna ha determinato un avanzamento molto spinto delle tecnologie. Dal 1950, possiamo dire dopo la II Guerra Mondiale, l’acciaio è diventato di uso comune, è entrato nelle case soppiantando antiche suppellettili, è diventato segno di distinzione. Acquai in acciaio hanno sostituito vecchi manufatti di marmo o ceramica. Prezzo da pagare? Mantenerli lucidi, evitare le macchie di calcare, non un’evoluzione, ma una programmata schiavitù. Per le scocche dei frigoriferi si sono usati acciai non magnetici (così non ci stanno attaccate le calamite che portano i figli dalle vacanze) gabellandole per prodotto di qualità. Al posto delle vecchie pentole in rame stagnato o alluminio, oggi troviamo quelle in acciaio, che hanno peggior resa termica e capacità di conduzione del calore. Poi, siamo pure arrivati a incollarci fondi in Teflon (il miracolo dell’anti aderenza), che poi si è rivelato tossico.
Ma, è stato un vero progresso?
Acciai Industriali
Le 5 tipologie di acciaio industriale trovano applicazione in campi diversi.
Differiscono ovviamente per caratteristiche, date dalle particolari tecnologie di produzione
L ‘Austenitico è il tipo più comune, usato per la produzione di prodotti per la cucina, navi, edilizia, tubazioni ecc. data forte resistenza al calore.
Il Ferritico: ha proprietà vicine all’acciaio dolce, ma con una migliore resistenza alla corrosione e alle crepe, quindi è ottimo per caldaie, lavatrici ecc.
Il Martensitico: molto forte e duro ma non è resistente alla corrosione come le altre tipologie, quindi è ideale per lame di coltelli. Può essere sottoposto al processo di tempratura.
Il Duplex: è composto da acciaio Ferritico e Austenitico, quindi flessibile e duro nello stesso tempo. Usato nella costruzione delle navi che devono avere una flessibilità considerevole.
Acciai indurenti per precipitazione, sono acciai inossidabili semi-austenitici, estremamente forti per la presenza di elementi come l’alluminio, il niobio e il rame.
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