acciaio inossidabile Criteri di progettazione di

... acciaio inossidabile
Criteri di progettazione
di particolari stampati a freddo
da lamiere e nastri
di acciaio inossidabile
Gabriele Di Caprio
Estratto da: PROGETTARE - Maggio 1982, numero 24
... acciaio inossidabile
Criteri di progettazione
di particolari stampati a freddo
da lamiere e nastri
di acciaio inossidabile
Gabriele Di Caprio
Nella progettazione di particolari stampati a freddo da lamiere e nastri di
acciaio inossidabile, bisogna tener presenti vari parametri: resistenza alla
corrosione, caratteristiche meccaniche, caratteristiche fisiche, lavorabilità
efinitura, componibilità, costi, disegno. L'Autore illustra i vari parametri e
fornisce numerose indicazioni, relative ai diversi tipi di acciai inossidabili,
austenitici, ferritici, e martensitici.
Come conclusione, riporta poi alcuni esempi di particolari realizzati nei
quali il progettista ha felicemente sintetizzato le esigenze dei vari parametri.
Several parameters are to be taken into account in thè design of components cold-formed from stainless steel piate or strip. They are corrosion
resistance, mechanical properties, physical properties, workability and
finish, componibility, costs, layout. The Author illustrates these parameters and gives indications on thè various types of austenitic, ferritic and
martensitic stainless steels.
At thè end, somepractical examples aregiven in which thè design engineer
succeeded in skilfully blending thè various requirements.
1. INTRODUZIONE
AL PROGETTARE
CON ACCIAI INOSSIDABILI
È noto che un buon progettista concepisce nella sua mente l'«idea» di
un oggetto o di un componente o di
un manufatto, in modo che questo
assolva alla funzione per la quale
verrà poi realizzato.
La buona riuscita di un progetto è
quindi strettamente legata alla capacità dell'oggetto di assolvere correttamente a tutte le funzioni previste, per la durata di tempo per la
quale è stato concepito, in condizioni di reale sicurezza.
Il prof. ing. G. Di Caprio è Docente del Politecnico di Milano e Segretario del Centro Inox.
La presente memoria è stata presentata al
Simposio su «Nuovi materiali e criteri di progettazione», promosso dal Centro Metallurgia
e Impiego Lamiere Sottili dell'Associazione
Italiana di Metallurgia, in collaborazione con
l'Associazione Italiana Progettisti Industriali
(AIPI).
n. 24 - Maggio 1982
In ogni caso l'«idea» dell'oggetto o
della parte, per tradursi in realtà
concreta, deve passare necessariamente attraverso alla mediazione
del materiale o dei materiali che lo
«rendono reale» e alle tecnologie ad
essi relative.
Ne consegue quindi, da un punto di
vista generale, che per il progettista
è necessario correlare sempre tra loro almeno quattro aggregazioni di
elementi:
— l'«idea» dell'oggetto in sé completo delle sue funzioni;
— la conoscenza delle caratteristiche intrinseche e dei limiti di applicabilità del materiale o dei materiali
con i quali essa verrà attuata;
— la conoscenza delle caratteristiche tecnologiche e delle tecniche di
trasformazione mediante le quali il
materiale sarà trasformato per assumere l'identità dell'oggetto o della
parte;
— il costo globale dell'oggetto, che
deve essere sempre il minore possi-
bile, fatte salve le reali prestazioni,
la durata e la sicurezza d'uso per le
quali esso è stato concepito.
Se si trascura una di queste aggregazioni non si può dire, a mio avviso, che la progettazione, considerata come insieme di fantasia, di calcoli e di disegno dell'oggetto o della
parte, sia intesa correttamente.
Evidentemente solo l'armonica combinazione delle quattro aggregazioni, di cui si è detto sopra, permette di
pervenire anche a quelle preziose
innovazioni che costituiscono il normale progredire tecnico. Un errore
fondamentale, che accade spesso di
osservare, è legato alla trasposizione di criteri di progettazione di un
oggetto, valido per particolari materiali, ad altri materiali diversi dai
primi.
Un esempio paradossale varrà a
chiarire il concetto.
Il vecchio fiasco, geniale contenitore per liquidi a tutti noto, nasce dalla perfetta sintesi di forma, funzione, tecnologia e costo di due materiali relativamente poveri quali il
vetro e la paglia. Quest'ultima per le
caratteristiche di facile intrecciabilità, di basso costo e di assorbimento
degli urti, forma nello stesso tempo
la base di sostegno e il rivestimento
protettivo dell'ampolla di vetro che
nasce come «bolla» soffiata proprio
perché tale era la tecnologia di trasformazione del vetro e come «bolla» non dispone di una base di appoggio stabile.
Il medesimo fiasco, realizzato con
lamierino metallico imbutito in due
gusci saldati lungo la sezione meridiana, con le medesime caratteristiche di forma e di dimensione, sarebbe un «nonsenso», perché realizzerebbe un contenitore di notevole ingombro trasversale in rapporto alla
capacità, non facilmente impilabile,
con un elevato rapporto tra spaziò
occupato e volume di liquido immaPROGETTARE - 41
gazzinato, pur utilizzando un materiale che consente di essere foggiato
come un cilindro o come un parallelepipedo e che è resistente intrinsecamente agli urti.
Utilizzando il lamierino metallico,
il contenitore studiato per esso è infatti il barattolo (cilindrico, o meglio, parallelepipedo), che rimedia
alle deficienze del fiasco di cui si è
detto.
Il «fiasco metallico» sarebbe un colossale «fiasco progettuale», proprio
perché utilizzerebbe forme e limitazioni tipiche di altri materiali senza
sfruttare invece a fondo quelle che il
lamierino metallico consente.
L'esempio, còme ho detto, è volutamente paradossale. Accade però,
più spesso di quanto non si creda, di
constatare che materiali relativamente poco tradizionali, come gli
acciai inossidabili, vengano utilizzati non per quello che effettivamente possono dare, ma piuttosto
per quanto essi riescono a «ricopiare» forme e soluzioni già sfruttate e
previste per altri. A volte questo
modo di pensare porta anche ad un
irrimediabile danneggiamento di
questi materiali.
La conclusione di questa introduzione è che, "conditio sine qua non"
per pervenire a un onesto successo
progettuale, occorre pensare in termini adatti al materiale, còsi da
sfruttare a fondo tutte le caratteristiche positive e limitare invece le
conseguenze di quelle negative.
2. I PARAMETRI
PROGETTUALI
Da un punto di vista generale i parametri che il progettista dovrà tenere sott'occhio e coordinare armonicamente per utilizzare correttamente gli acciai inossidabili possono essere, a mio avviso, raggruppati
in sette diverse aggregazioni tra loro collegate:
— resistenza alla corrosione,
— caratteristiche meccaniche,
— caratteristiche fisiche,
— lavorabilità e finitura,
— componibilità,
— costi,
— disegno.
Le ho elencate in modo abbastanza
casuale dato che non ritengo di molta importanza graduarne la priorità. Tali aggregazioni parametriche
sono infatti tutte necessarie al buon
concepimento del progetto.
Desidero sottolineare che, ovviamente, non è possibile, da un punto
di vista sintetico, entrare in dettagli
caso per caso e tipo per tipo di acciai
inossidabili. Mi limiterò perciò a
procedere, nel fornire indicazioni,
secondo la tradizionale suddivisio42 - PROGETTARE
ne degli acciai inossidabili in austenitici, ferritici e martensitici, con
particolare riguardo alle prime due
famiglie, maggiormente utilizzate
sotto forma di laminati a freddo per
stampati. La citazione dei tipi martensitici è fatta essenzialmente per
completare il quadro.
Infatti, allo stato attuale, l'utilizzazione di laminati piatti a freddo di
acciai inossidabili, almeno in Italia,
è ali'incirca pari al 70% della totale
utilizzazione di acciai inossidabili.
All'interno di tale quantità la ripartizione per tipi è, a sua volta, dell'ordine del 75 -r- 80% per gli austenitici e del 20 + 25% per i ferritici, mentre per i martensitici l'impiego di
laminati piatti a freddo per stampaggio è molto limitato.
2.1. Resistenza alla corrosione
È abbastanza logico che materiali
nati essenzialmente per contrastare
il «fenomeno corrosione» siano utilizzati con la certezza che essi risolvano i problemi ad esso inerenti.
Dobbiamo considerare, però, che la
loro resistenza alla corrosione è
conseguenza della loro capacità di
mantenersi in condizioni di passività stabile negli ambienti aggressivi
nei quali essi debbono operare.
Questa possibilità è legata evidentemente al tipo di acciaio inossidabile, alle condizioni reali nelle quali
è messo in opera e alle condizioni
effettive di esercizio e di aggressione.
In altri termini, la scelta del tipo
deve essere sempre condizionata alla risposta positiva alla duplice domanda:
— il tipo di acciaio inossidabile
prescelto è in stato di passività stabile nell'ambiente nel quale deve
operare?
— le condizioni di sollecitazione o
di messa in opera, nonché il disegno
del particolare, sono tali da consentirgli di rimanere in condizioni di
passività stabile in quell'ambiente,
per tutta la durata di tempo prevista?
L'errore sarebbe fidare unicamente,
quasi fosse un rito esoterico, nella
potenza magica della parola «acciaio inossidabile »per esorcizzare il
fenomeno corrosione.
Ovviamente, non è qui il caso di
elencare il comportamento dei diversi tipi di acciai inossidabili nei
confronti delle differenti sostanze
aggressive; esistono per questo manuali e guide di resistenza alla corrosione.
Ciò che è necessario evidenziare è
che, ai fini della resistenza alla corrosione di un particolare stampato a
freddo di acciaio inossidabile, occorre considerare, oltre alla composizione analitica del materiale e alle
caratteristiche dell'ambiente ag-
gressivo (composizione chimica,
concentrazione, temperatura, pressione), anche:
— il disegno del particolare,
— le sollecitazioni indotte in esso
dallo stampaggio,
— la reale temperatura di esercizio,
— le modalità di messa in opera.
In caso contrario si rischia di scegliere, per eccesso di prudenza, il tipo di acciaio inossidabile a maggior
contenuto di elementi in lega (e
quindi più costoso), senza rendersi
conto che ciò non è necessario e che,
spesso, esso viene messo in esercizio
in condizioni tali da essere danneggiato.
Alcune considerazioni varranno a
chiarire questa asserzione.
Il disegno inadatto di un particolare
può provocare, qualora siano presenti interstizi, corrosioni di tipo interstiziale anche in ambienti che
ragionevolmente potrebbero essere
considerati di blanda aggressività.
E noto che stati di tensionamento
interno dovuto a operazioni di stampaggio per deformazione plastica a
freddo o a saldatura possono provocare fenomeni di corrosione sotto
tensione in ambienti che altrimenti
non desterebbero soverchie preoccupazioni dal punto di vista corrosionistico.
La effettiva temperatura superficiale di un elemento può causare fenomeni di corrosione per vaiolatura,
ciò accade quando esistono zone
particolarmente calde in presenza
di soluzioni aggressive che presentano, per altro, una temperatura
media accettabile.
Le modalità di messa in opera, qualora siano presenti, ad esempio,
unioni con elementi non di acciai
inossidabili, possono causare problemi. Questi elementi infatti debbono essere sempre scelti in modo
da risultare compatibili dal punto di
vista galvanico con gli acciai inossidabili. In caso contrario, in presenza anche di deboli elettroliti, è
possibile la corrosione di quello più
elettropositivo. Questo fatto si verifica soprattutto quando l'elemento
più elettropositivo (che normalmente non è l'acciaio inossidabile) è di
piccole dimensioni superficiali rispetto al particolare di acciaio inossidabile. È il caso, per esempio, di
viti e chiodi di materiale poco nobile
impiegati su profilati e lamiere di
acciaio inossidabile.
Nel caso particolare di corrosione a
caldo, occorre distinguere, infine,
tra modalità di servizio continuo o
intermittente. I tipi austenitici, per
esempio, consentono temperature
ammissibili in servizio continuo superiori a quelle di servizio intermittente; al contrario i tipi ferritici e
martensitici immettono prestazion. 24 - Maggio 1982
Designazione
AISI
Servizio
continuo
°C
Servizio
intermittente
°C
201
202
845
845
815
815
301
302
304
308
309
310
316,
317
321
330
347
900
925
925
980
1095
1150
925
925
925
1150
925
840
870
870
925
980
1035
870
870
870
1035
870
705
705
675
620
815
760
980
1095
815
815
760
735
870
815
1035
1175
7Y,316M>
403, 410
405
416
420
430
440
442
446
Tab. I - Valori indicativi delle temperature massime di servizio in aria per alcuni
acciai inossidabili.
'
ni a temperature più elevate nel caso
di servizio discontinuo, come appare indicativamente nella tabella I.
2.2. Caratteristiche meccaniche
Sono differenti a seconda dei diversi
tipi e possono essere sintetizzate
come segue:
I tipi austenitici non sono suscettibili di innalzare le loro caratteristiche mediante tempra e conseguentemente hanno qualità resistenziali
non elevate.
A temperatura ambiente, indicativamente, esse variano, a seconda
dei tipi, negli intervalli:
carico di rottura: 440 -r 785 N/mm2,
— carico di snervamento: 175 -5- 275
N/mm2,
— modulo di 2elasticità: 193100 -5200000 N/mm ,
— allungamento a rottura: 30 -r
60%.
Sono capaci invece di innalzare fortemente la loro resistenza mediante
incrudimento per deformazione plastica a freddo, elevando il carico di
rottura, il carico di snervamento e
diminuendo l'allungamento rottura. Questo fenomeno è molto sfruttato proprio nello stampaggio a
freddo di questi materiali.
Posseggono elevate caratteristiche
di resistenza a fatica.
I tipi stabilizzati e quelli austenitici
con elevati tenori di elementi in lega
hanno ottime caratteristiche di resistenza allo scorrimento viscoso a
elevate temperature.
La resistenza agli urti è molto alta,
sia a temperatura ambiente, sia a
temperature molto basse, anche deln. 24 - Maggio 1982
2.3. Caratteristiche fisiche
Sono differenti, a volte anche sostanzialmente, tra le diverse famiglie.
Il peso specifico è variabile in funzione della diversa composizione
chimica ed è compreso, a temperatura ambiente,
nei limiti: 7,70 -5- 8,06
g/cm3.
La conducibilità termica è sostanzialmente differente tra le diverse
famiglie e, a temperatura di 100 °C,
varia indicativamente tra:
14,2 -5-17,16 W/mK per i tipi austenitici,
20,9 H- 29,3 W/mK per i tipi ferritici,
20,1 -s- 24,7 W/mK per i tipi martensitici.
La resistività elettrica è anch'essa
fortemente differenziata tra tipi e
tipi e a temperatura ambiente varia
indicativamente tra:
0,72 -5-1,02 ufìm per i tipi austenitici,
l'ordine di oltre —200 °C.
I tipi ferritici non sono nemmeno 0,59 H- 0,67 iiiìm per i tipi ferritici,
essi suscettibili di trattamento di
tempra e conseguentemente presen- 0,57 -5- 0,72
per i tipi marteneitano caratteristiche resistenziali tici.
non elevate.
Indicativamente, a temperatura Il calore specifico è mediamente
ambiente, a seconda dei tipi, i valori compreso, nell'intervallo di tempeoscillano nei limiti:
ratura 0-rl00 °C, nei limiti:
carico di rottura: 440 -5- 640 N/mm2,
460 + 502 J/kgK per tutti i tipi.
carico 2di snervamento: 225 -r 345
Il coefficiente di dilatazione termica
N/mm ,
modulo di elasticità: 200000 N/mm2, . è molto differente tra i diversi tipi e,
nell'intervallo di temperatura 0-5-100
allungamento a rottura: 15 -j- 30%.
°C, varia mediamente tra:
L'incrudimento per deformazione 15 -5-17,3 • IO6 °C' per i tipi austeniplastica a freddo incrementa anche tici,
in questo caso le caratteristiche di
resistenza, ma in modo diverso da 9,3 +11,7 • 10* °C•> per i tipi ferritici,
quelle dei tipi austenitici.
Le caratteristiche resistenziali a 9,9 -5-11,2 • ÌO^C ' per i tipi martencaldo permangono accettabili solo sitici.
fino a medie temperature.
I tipi martensitici offrono le migliori La permeabilità magnetica relativa
caratteristiche di resistenza mec- è molto diversa a seconda che si
canica fra gli acciai inossidabili tratti delle famiglie martensitica e
quando sono messi in opera allo sta- ferritica, sostanzialmente ferromato bonificato.
gnetiche, o di quella austenitica, soA seconda della loro composizione s t a n z i a m e n t e amagnetica.
possono coprire un campo di valori, Per i primi tipi essa non è molto invariabili, allo stato bonificato e a fluenzata dall'incrudimento per deformazione a freddo, mentre i tipi
temperatura ambiente, tra i limiti:
carico di rottura: 690 -H 1080 N/mm2,
càrico 2di snervamento: 490 -5- 880
N/mm ,
modulo di elasticità: 200000 N/mm2,
allungamento a rottura: 10 -5- 20%.
Presentano buone caratteristiche di
resistenza a fatica sia a temperatura ambiente, sia a temperature più
elevate e una buona resistenza allo
scorrimento viscoso.
austenitici risentono molto di più di
tale fenomeno:
per i tipi martensitici è compresa tra
7OO-5-1OOO,
per i tipi ferritici è compresa tra
600-e-l 100,
per i tipi austenitici allo stato non
incrudito è compresa t r a 1,0025-51,0020; allo s t a t o incrudito è compresa t r a 1,0075-5-4,75, a seconda dei
tipi e del grado d'incrudimento.
PROGETTARE - 43
disegnare l'oggetto, dovrà tener
presente che le caratteristiche di deformabilità sono strettamente legate alle modalità operative delle tecniche sopra elencate e alle caratteristiche tecnologiche dei differenti
tipi di acciai inossidabili.
Ciò ha particolare importanza nel
dimensionamento dei:
Raggio di
raccordo
del bordo
della matrice
Raggio di
raccordo
del fondo
del punzone
Acciai inossidabili austenitici
tipo AISI304
5H-8 S
W4S
Acciai inossidabili ferritici
tipo AISI 430
7-M5S
3=5S
Acciai inossidabili martensitici
tipo AISI 410
— raggi di raccordo,
— raggi e angoli di piegatura.
7-H15S
Ss5S
A scopo esemplificativo nelle tabelle II, III, IV e V sono indicati alcuni
valori indicativi di raggi e di angoli
per alcuni tipi di acciai inossidabili
correntemente utilizzati nella produzione di componenti lavorati mediante imbutitura della pressa, piegatura e profilatura.
Materiali
S = spessore della lamiera o del nastro.
Tab. II - Valori indicativi dei raggi di raccordo del bordo della matrice e del fondo del
punzone in\ funzione dello spessore, per particolari imbutiti di acciai inossidabili.
Tab. Ili - Valori indicativi dei raggi minimi di piegatura per diversi tipi di acciai
inossidabili allo stato addolcito in funzione dello spessore delle lamiere o dei nastri
laminati a freddo.',
Designazione
AISI
301
302
304
305
309
310
316
321
347
405
410
430
442
446
Piegatura libera
Piegatura bloccata
Angolo
di piega
a
Raggio di
curvatura
R
Angolo
di piega
a
Raggio di
curvatura
R
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
180°
fi=0,5S
fi=0,5S
fi = 0,5 S
fi=0,5S
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
135°
fi = 0,5 S
fi=0,5S
R = 0,5 S
R=0,5S
fi=0,5S
R = 0,5 S
fi = 0,5 S
fi = 0,5 S
R=S
R=S
R=S
R=S
R=S
R=0,5S
fi = 0,5 S
fi = 0,5 S
R = 0,5 S
fi - 0,5 S
fi = 0,5 S
R=S
S = spessore della lamiera o del nastro.
Nota: I valori sono riferiti alle condizioni peggiori di piegatura cioè con l'asse parallelo alla
direzione di laminazione.
'
2.4. Lavorabilità e finitura
Come emerge dal quadro delle caratteristiche meccaniche, tutti gli
acciai inossidabili, e in particolare
gli austenitici, presentano lavorabilità per deformazione plastica a
freddo particolarmente brillanti.
Ne consegue che, da un punto di vista generale, è sempre conveniente
pensare di ottenere un particolare di
acciaio inossidabile per mezzo di
lavorazioni operanti per deformazione plastica.
In particolare l'utilizzazione di lamiere e nastri a freddo consente
sempre di operare con le correnti
tecniche di:
— imbutitura alla pressa,
— imbutitura al tornio,
— imbutitura al tornio per laminazione,
— piegatura alla pressa,
— curvatura a rulli,
— profilatura a rulli,
44 - PROGETTARE
— coniatura.
Ciò permette di ottenere componenti
e manufatti di costi contenuti, sia in
piccoli sia in grandi lotti. Inoltre,
sfruttando appieno la variazione di
caratteristiche meccaniche dovute
al fenomeno di incrudimento, sono
possibili elevate prestazioni dal
punto di vista meccanico anche con
spessori decisamente ridotti rispetto a quanto è necessario con altri
materiali. Questi tipi di tecniche per
deformazione consentono inoltre di
effettuare risparmi, dato che il rapporto sfrido/peso, commisurato al
pezzo finito, è molto inferiore a quello che si ha nel caso di lavorazione
operata per asportazione di truciolo.
A tal proposito, operando su acciai
inossidabili, la convenienza è particolarmente evidente in quanto essi
offrono normalmente, salvo alcuni
tipi speciali, scarse caratteristiche
di trucìolabilità, in particolare modo tipi austenitici.
Evidentemente il progettista, nel
Per quanto concerne la finitura superficiale, gli acciai inossidabili si
pongono in una posizione a sé stante rispetto a gran parte dei materiali
metallici. Essi, infatti, contengono
già in sé, in potenza, il tipo di finitura dell'oggetto. Non abbisognano
infatti di particolari addizioni di rivestimenti esterni quali pitturazioni, smaltature, placcature, ecc. La
loro finitura, al contrario, avviene,
eventualmente, per sottrazione di
un sottile strato superficiale.
Normalmente le finiture delle lamiere e dei nastri a freddo di acciai
inossidabili sono quelle denominate:
— 2B (laminazione a freddo, trattamento termico, decapaggio, skinpassaggio),
— BA (laminazione a freddo e trattamento termico in atmosfera controllata, con eventuale skinpassaggio).
Partendo da queste due finiture,
quella del manufatto sarà ovviamente di costo tanto più contenuto
quanto minore sarà il danneggiamento subito dalla finitura originaria del semilavorato di partenza durante le diverse fasi operative.
Il progettista dovrà quindi in ogni
caso disegnare il particolare o l'oggetto in modo da consentire un ciclo
realizzativo che danneggi il meno
possibile la superficie del laminato
di partenza. Spesso, infatti, per il
prodotto finito è sufficiente la finitura tal quale del nastro o della lamiera. È quanto accade sempre con
la finitura BA (in questo caso, addirittura, sarebbe un controsenso cancellarla con una finitura successiva
dato che le sue caratteristiche peculiari sono legate allo stato origina,rio) e sovente anche con la finitura
2B.
In caso contrario, quando per altre
ragioni si dovesse ricorrere ad altri
gradi di finitura, si dovrà avere cura
di scegliere quelle in grado di assolvere contemporaneamente a compiti funzionali ed estetici, considen. 24 - Maggio 1982
Disignazione
AISI
301
301
301
301
302
316
Grado di
incrudimento
1/4
1/2
3/4
4/4
1/4
1/4
crudo
crudo
crudo
crudo
crudo
crudo
Spessore !gl,2mm
Piegaturai libera
Spessore > l , 2 m m
Piegatura bloccata
Piegatura libera
Angolo
di piega
a
Raggio di Angolo
curvatura di piega
R
a
Raggio di Angolo
curvatura di piega
R
a
180°
180°
180°
180°
180°
180°
R=0,5S
R=S
R=2S
R=3S
R=3S
R=2S
R=2,5S
n
Q
R= 1,5 S
R=2S
R = 0,5S
135°
135°
135°
135°
135°
135°
Piegatura 1bloccata
Raggio di Angolo Raggio di
curvatura di piega curvatura
R
a
R
90°
90°
R=S
90°
90°
R=S
R=S
135°
135°
135°
135°
R=2S
R=2S
S = spessore della lamiera o del nastro.
Nota: i valori sono riferiti alle condizioni peggiori di piegatura cioè con l'asse parallelo alla direzione di laminazione
Tab. IV - Valori indicativi dei raggi minimi di piegatura per alcuni tipi di acciai inossidabili austenitici allo stato incrudito in
funzione degli spessori delle lamiere e dei nastri laminati a freddo.
',
rando che la lamiera o il nastro di
acciaio inossidabile possono essere
assimilati ad un cartoncino da disegno su cui «tratteggiare» con tecniche appropriate.
Qualora si desiderasse discostarsi
dalla finitura originale della lamiera o del nastro ed il manufatto si
prestasse ad essere realizzato con
lamiere o nastri pre-finiti e protetti
con pellicole asportabili, si preferisce seguire questa strada. Essa, ovviamente, risulta più economica di
quella che prevede la finitura sul
particolare finito.
Questo criterio è seguito nel caso di
manufatti o particolari con estese
superfici piane oppure a lieve curvatura, oppure con leggera imbutitura,
oppure di profilati ottenuti sia per
piegatura alla pressa che per profilatura. La pre-finitura sulla lamiera
o sul nastro può essere ottenuta per
abrasione con i normali mezzi conosciuti, oppure per laminazione (è il
caso di nastri e di lamiere laminati
con cilindri sabbiati, smerigliati o
variamente improntati).
Le finiture per abrasione possono
essere realizzate direttamente su
manufatti e oggetti finiti che presentano superfici cilindriche, tronco-coniche, sferiche, o composite assimilabili alle precedenti, abbastanza ampie e con sottosquadri di limitata entità.
Quando il particolare è di piccole
dimensioni e non viene reputata
sufficiente la finitura di partenza
dell'elemento piano, si può ricorrere
ad una semplice burattatura oppure, in caso di finitura più pregiata, a
quella chimica o a quella elettrolitica.
Quando l'oggetto, anche di notevoli
dimensioni, presenta sottosquadri
profondi, soprattutto su superfici
interne, oppure quando, come nel
caso di griglie, il rapporto pieno/
vuoto è molto piccolo, ci si indirizza
egualmente verso la finitura elettrolitica.
n. 24 - Maggio 1982
Va menzionato infine che a tutti i
tipi di finitura sopra ricordati è possibile, oggi, sovrapporre anche una
colorazione per interferenza, che
permette di raggiungere, stabilmente, risultati non semplicemente estetici, ma sovente anche funzionali.
2.5. Componibilità
Uno dei punti chiave riguardanti in
generale un progetto è quello di
comporre e unire tra loro le diverse
parti, realizzando unioni fìsse oppure amovibili.
La saldatura è generalmente la tecnica di unione più usata con gli acciai inossidabili anche su spessori
sottili. Correntemente sono impiegate:
— la saldatura in atmosfera di gas
inerte con elettrodo non consumabile (TIG) e con elettrodo consumabile
(MIG),
— saldatura al plasma e al microplasma,
— saldatura con elettrodo rivestito,
— saldatura per resistenza (per punti, a rilievi, per rullatura).
Altre tecniche meno tradizionali,
quali quella al laser e al fascio elet-
tronico, stanno diffondendosi con
successo anche nella produzione di
serie.
Il comportamento, ai fini della saldatura, dei differenti tipi di acciai
inossidabili è però nettamente diverso e il quadro può essere sintetizzato, almeno da un punto di vista
generale, come segue.
I tipi austenitici sono saldabili con o
senza materiali d'apporto dello stesso tipo e presentano giunzioni di
elevate caratteristiche con qualsiasi
tipo di saldatura, all'arco o per resistenza.
Nel caso siano previste saldature
operanti in ambienti capaci di provocare corrosione intercristallina e
vengano utilizzati spessori per i
quali sia prevedibile la sensibilizzazione delle zone termicamente alterate, si dovrà avere cura di utilizzare
i tipi stabilizzati o quelli a basso
contenuto di carbonio.
I tipi ferritici tradizionali sono saldabili con materiali d'apporto austenitici o con struttura parzialmente
ferritica; l'effetto del riscaldamento
durante la saldatura provoca un ingrossamento del grano nella zona
termicamente alterata con conseguente perdita di tenacità del giunto. Per ovviare a ciò, si utilizzano i
tipi AISI 405 (con alluminio), 409 e
Tab. V - Valori indicativi dei raggi minimi di curvatura e degli angoli di piegatura
limite adottabili nella profilatura a rulli di nastri di acciai inossidabili laminati a
freddo.
Tipo
AISI
Materiale
allo stato addolcito
301
302, 304
316
410, 430
#=0,5S(180°)
i? = 0,5S(180°)
fl=0,5S(180°)
R = S (180°)
Materiale allo stato incrudito 1/4 crudo
Spessori
fino a 1,2 mm
R = 0,5 S (180°)
fl=0,5S(180°)
R = S (180°)
Spessori
oltre 1,2 mm
R = S (90°)
R = S (90°)
R = S (90°)
R = raggio di curvatura.
S = spessore del nastro.
PROGETTARE - 45
Viti*; bulloni
Bronzo Nichel
Alluminio Acciaio
al carbonio al silicio
0)
Alluminio
sì
Acciaio e ghisa no
Ghisa austenitica al nichel no
Rame
no
Cupro-nichel
70/30 e 90/10 no
Nichel
no
Acciaio inossidabile AISI 304 no
Lega nichelrame 400
; no
Acciaio inossi-^
dabile AISI 316\no
Acciaio
Leghe
Lega
Acciaio
nichel-cromo inossidabile nichel-rame inossidabile
400
AISI 304
AISI 316
no
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì(2)
SÌ
sì
sì
sì
no
no
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
sì
no
no
no
no
sì
sì
sì(3)
sì
SÌ (3)
sì
sì
sì
8Ì(?)
no
no
no
variabile (3) SÌP)
sì
8Ì(3)
no
no
no
variabile (?) variabile (3) sì
no
no
no
variabile (3) variabile (3) variabile (3) sK3)
8l(2)
sì
variabile (3)
0) Materiale non anodizzato, il trattamento modifica il comportamento di viti e bulloni.
(2) Le viti sono galvanicamente compatibili e risultano protette, ma si può giungere ad un ingrandimento del foro nella piastra di alluminio.
(') Si può verificare corrosione interstiziale sotto la testa della vite o sotto il dado.
Nota: le giunzioni si intendono dirette, senza inserzione di guarnizioni isolanti tra vite ed elemento.
si = le viti risultano protette;
no = le viti subiscono corrosione preferenziale.
Tab. VI • Dati di compatibilita tra viti ed elementi di base del giunto immersi in acqua marina.
430 stabilizzato. Normalmente, nel
caso di laminati piani a freddo di
acciai ferritici, si preferisce utilizzare tecniche di saldatura a resistenza, per punti o continua.
I tipi a basso contenuto di interstiziali (ELI) presentano, invece, con
qualsiasi tecnica, caratteristiche di
saldabilità molto superiori ai tipi
ferritici convenzionali.
I tipi martensitici sono saldabili con
materiali d'apporto dello stesso tipo
del materiale base oppure con materiale d'apporto fortemente austenitico (AISI 310) quando non siano
previste, in questo ultimo caso,
temperature di servizio elevate. È
opportuno eseguire trattamenti termici pre-riscaldo e di post-riscaldo.
È particolarmente indicata la saldatura per resistenza.
Per quanto concerne la brasatura
dolce e forte e la saldobrasatura,
tutti i tipi di acciai inossidabili sono
in grado di essere uniti con queste
tecniche, ovviamente utilizzando
materiali d'apporto e flussi adeguati.
Le giunzioni meccaniche (avvitature, chiodature, ecc.) sono regolarmente utilizzate, a patto che gli elementi di giunzione siano galvanicamente compatibili con gli acciai
inossidabili che uniscono, come già
ricordato al punto 2.1., e risultino
quindi di nobiltà non inferiore a
questi, quando il giunto sia in presenza di un elettrolita. La tabella VI
fornisce, in tal senso, una visione
indicativa della compatibilita di alcuni acciai inossidabili con altre leghe, intesi sia come materiali base,
sia come viti, per giunti esposti all'azione di acqua marina.
Sempre nel caso delle giunzioni
meccaniche va rilevato che l'aggraffatura (semplice o doppia) permette di ottenere, soprattutto su
Tab. VII - Scala qualitativa decrescente dei costi dei nastri e delle lamiere di acciai
inossidabili.
AISI 330
(20% Cr; 35% M)
AISI 310
(25% Cr; 20% M)
AISI 309
(20% Cr; 15% M)
AISI 316 L (18% Cr; 10% M; 2,5% Mo;C<, 0,03%)
AISI 316
(18% Cr; 10% M; 2,5% Mo)
AISI 304 L (18% Cr; 10% M; C *S 0,03%)
AISI 304
(18% Cr; 10% M)
AISI 434
(17% Cr; 1% Mo)
AISI 430
(17% Cr)
AISI 420
(13% Cr)
AISI 409
(11% Cr; 0,5% Ti)
46 - PROGETTARE
costo maggiore
costo minore
elementi sottili, giunzioni di notevole resistenza meccanica. Ciò deriva
dalle elevate caratteristiche di deformabilità a freddo e di incrudimento offerte da questi materiali.
Ovviamente, questa tecnica potrà
essere prevista solo quando non vi
saranno pericoli di corrosione interstiziale o sotto tensione.
La tecnica dell'incollaggio, infine,
si presta a realizzare giunzioni di
elevate careratteristiche su qualsiasi tipo di elemento stampato di acciai inossidabili. Naturalmente, il
giunto dovrà essere disegnato e dimensionato secondo criteri validi
per questo tipo di giunzione, evitando l'errore di trasporre il disegno e il
dimensionamento di un giunto saldato o chiodato su una giunzione
realizzata per incollaggio. Questo
tipo di giunto, a differenza di altri
qui menzionati, non danneggia la
finitura superficiale originaria e
conseguentemente non richiede operazioni di ripresa superficiale. Inoltre l'incollaggio permette di sigillare interstizi che, a volte, come già
ricordato, potrebbero essere causa
di fenomeni corrosivi.
2.6. Costi
II costo per unità di massa dei nastri
e delle lamiere a freddo di acciai inossidabili è legato, oltre che alla
composizione della lega, allo spessore, alla finitura ed eventualmente
al grado di incrudimento. Lo spessore, in particolare, influisce innalzando il costo per unità di massa, al
suo diminuire.
Da un punto di vista generale e a
parità degli altri parametri l'andan 24 - Maggio 1982
mento dei costi può essere commisurato alla quantità ed ai tipi di elementi in lega, secondo una scala
qualitativa decrescente come quella
riportata nella tabella VII.
2.7. Disegno
Desidero citare per ultimo questa
aggregazione parametrica perché,
in un certo senso, essa riassume e
completa tutte le altre.
Il disegno, inteso nella più ampia
accezione del termine e non limitato
alla semplice componente estetica,
anche se questa non deve mai essere
trascurata, condiziona di per sé sia
singolarmente che unitariamente:
— la possibilità di porre il materiale
nelle condizioni ottimali atte a contrastare un attacco corrosivo,
— il ciclo tecnologico di costruzione,
— la possibilità di una facile e corretta composizione delle parti,
— la possibilità di eseguire controlli in funzionamento ed eventuali interventi di manutenzione,
— la corretta funzione del componente o del manufatto,
— il costo della parte e dell'insieme.
Nel caso tipico di particolari o manufatti ottenuti per stampaggio a
freddo di nastri o di lamiere, il disegno deve risultare come sintesi di
quell'insieme di osservazioni e di
considerazioni basate sulla armonica composizione dei parametri
che sono stati via via illustrati.
3. CONSIDERAZIONI
CONCLUSIVE ED ESEMPI
Ho cercato di affrontare il problema
di individuare i criteri che debbono
presiedere ad una corretta progettazione di particolari stampati a freddo da lamiere e nastri di acciai inossidabili.
Non è possibile, evidentemente, né
questo era il mio intendimento,
enumerare tutti i dati quantitativi
necessari a compiere una corretta
progettazione. Mi sono limitato, a
titolo esemplificativo, a ricordare
solamente alcuni tra i parametri più
ricorrenti. Per i dettagli rimando
naturalmente alla ormai vasta letteratura tecnica esistente in proposito. Ho cercato piuttosto di evidenziare i collegamenti tra quelle differenti aggregazioni di parametri la
cui conoscenza e valutazione sono
indispensabili, a mio avviso, per
una valida interpretazione di questi
materiali.
A conclusione di questa serie di considerazioni desidero illustrare alcuni esempi realizzativi, nei quali i
progettisti le hanno, a mio parere,
sintetizzate felicemente. li ho scelti,
n. 24 - Maggio 1982
questi esempi, tra i tanti, appartenenti a settori differenti per impiego, per dimensioni e per tipo di produzione. L'unico punto che hanno
tutti in comune è quello di essere
stati pensati per essere costruiti per
deformazione plastica a freddo partendo da laminati piani, a freddo, di
acciai inossidabili.
3.1. Serbatoi a membrana per
navi cisterna per gas liquefatti
Si tratta del procedimento messo a
punto dalla Technigaz francese e
dalla Conch Methan inglese nella
seconda metà degli anni '60 per la
costruzione della nave metaniera
«Descartes»
(capacità di carico
50.000 m3 di gas liquido), e di altri
navigli dello stesso tipo, che ha iniziato il suo servizio all'inizio degli
anni '70.
I serbatoi della nave cisterna (fig. 1)
sono costituiti da una membrana
corrugata, a tenuta stagna, di acciaio inossidabile austenitico del tipo AISI 304 L, capace di contrarsi e
di dilatarsi sotto le notevoli variazioni di temperatura alla quale è
sottoposta in seguito alle operazioni
di carico e scarico del gas liquido.
La membrana, che poggia su una
opportuna struttura di sostegno, è
costituita da elementi modulari di
spessore 1,2 mm, ottenuti operando
per deformazione plastica a freddo
alla pressa da lamiere corrugate secondo due famiglie d'onde tra loro
perpendicolari.
L'operazione è condotta in modo da
evitare l'allungamento della fibra
media con lo scopo di ridurre al minimo le variazioni di spessore nelle
zone deformate (fig. 2). La finitura è
la BA e le lavorazioni sono state efFig. 1 - Cisterna a membrana di lamiera AISI 304 L della nave metaniera Descartes. Si notino le dimensioni ragguardevoli della cisterna
paragonandole all'altezza dell'uomo fotografato in basso a sinistra.
Fig. 2 - Elemento modulare di membrana per la cisterna della metaniera Descartes ottenuto da lamiera di
acciaio AISI 304 L, di spessore 1,2
mm, con doppia orditura di ondulazioni.
fettuate con protezione superficiale
asportabile.
Gli elementi modulari, la cui ondulazione ha passo costante di 340 mm
in entrambe le direzioni, sono uniti
con giunti a sovrapposizione semplice, saldati con tecnica TIG in
modo da costituire una membrana
continua. Ciascun elemento è saldato in posizione centrale ad ancoraggi, sempre di acciaio inossidabile, fissati nello spessore dell'isolamento (fig. 3).
Dal punto di vista dei criteri di progettazione adottati si può considerare:
— la scelta dell'AISI 304 L permette
di assicurare una sufficiente resistenza alla corrosione della membrana, tenuto anche conto del tempo
di stazionamento del naviglio a serbatoi vuoti in ambiente marino e del
tempo di costruzione dei serbatoi in
cantiere marittimo;
— le caratteristiche meccaniche del
materiale assicurano una elevata
tenacità della membrana e del giunto saldato a temperatura molto bassa (dell'ordine di —160°C), anche in
presenza di escursioni termiche molto brusche, come accade durante le
operazioni di carico e scarico;
— l'elevato coefficiente di dilatazione del materiale è stato opportunamente neutralizzato dalla creazione della doppia orditura di ondulazioni, che consente di limitare a
valori estremamente bassi la sollecitazione nella membrana durante
le contrazioni e le dilatazioni originate da sbalzi termici dell'ordine di
200 °C; per contro, il basso coefficiente di conducibilità termica gioca
a favore dell'isolamento del serbatoio;
— la deformazione del materiale è
condotta in modo da contenere gli
stiramenti localizzati, evitando l'assottigliamento dello spessore nelle
zone deformate; in questo caso è stata determinante la coordinazione
tra disegno e tecnologia di trasformazione. La finitura superficiale,
infine, protetta durante la lavoraPROGETTARE - 47
. barriera secondaria
f in compensato
-ancoraggio
lana
coprigiunto
legno ''
di balsa
giunto in PVC
Fig. 3 - Schema di ancoraggio degli
elementi modulari della membrana
della metaniera Descartes.
\
zione e il montaggio, priva di incisioni, garantisce la membrana contro eventuali inneschi di rottura per
fatica;
— l'utilizzazione delle tecniche di
saldatura TIG per la giunzione dei
pannelli modulari a semplice sovrapposizione (il pericolo di corrosione interstiziale è evitato dato che
l'interstizio è situato nella parte
protetta e inaccessibile della membrana) e per l'ancoraggio alla struttura consente di operare in condizioni di sicurezza anche nei confronti del rivestimento coibente
esterno;
— dal punto di vista economico, il
materiale scelto offre tutte le caratteristiche richieste al minor costo,
rispetto ad altre leghe utilizzabili
per soluzioni analoghe;
— il disegno dell'elemento modulare, integrato nell'insieme della progettazione del naviglio, ha permesso la realizzazione di «otri» di acciaio inossidabile contenuti negli
scomparti di uno scafo, per trasportare liquidi criogenici.
3.2. Scambiatori di calore a piastra per pastorizzatori
È nota nell'industria alimentare, e
in particolare in quella del latte, la
necessità di procedere a riscaldamento veloce, per durate di tempo
opportune, di sostanze alimentari
liquide o fluide, con lo scopo di pastorizzarle. Gli scambiatori di calore a piastra (fig. 4) sono costituiti da
pacchi di piastre ottenuti per imbutitura (fig. 5) tra le quali vengono
fatti passare con moto laminare da
un lato le sostanze da riscaldare e
dall'altro il fluido riscaldante.
La progettazione è condotta in modo da rispettare l'insieme dei criteri
già ricordati e in particolare:
— la scelta dell'acciaio inossidabile, di solito AISI 316, si pone come
garanzia nei confronti della resistenza alla corrosione dell'impianto
da parte delle sostanze trattate e nel
contempo come salvaguardia igienica nei confronti delle stesse;
— il disegno delle piastre è tale da
favorire il flusso delle sostanze da
trattare e del fluido riscaldante, in
modo da ottenere un elevato scambio termico, determinando nel contempo un sufficiente irrigidimento
dell'elemento per evitare deformazioni in esercizio;
Fig. 4 - Scambiatore a piastre di acciaio inossidabile per la pastorizza zione di sostanze alimentari liquide
o fluide.
Fig. 5 - Piastre di acciaio inossidabile per scambiatori di calore del tipo
illustrato in fig. 4.
48 - PROGETTARE
— il disegno tiene conto delle deformazioni imposte dalle operazioni
di stampaggio a freddo, così da contenere il tensionamento interno del
materiale che, altrimenti, potrebbe
favorire fenomeni di corrosione sotto tensione originati da alcune sostanze trattate;
— la presenza di una guarnizione
periferica, adeguatamente dimensionata, previene l'origine di possibile corrosione interstiziale;
— la finitura lucida favorisce il
fluire delle sostanze, anche di quelle
viscose e contiene la formazione di
depositi con il doppio risultato di
assicurare uno scambio termico elevato ed evitare la contaminazione
delle sostanze trattate.
3.3. Vasca e cestello per lavapanni domestici
Mi riferisco al modello ultimamente
progettato da una nota marca di lavapanni nel quale sia la vasca, sia il
cestello sono realizzati con nastri di
acciaio inossidabile ferritico AISI
430, di spessore 0,4 mm e di finitura
BA.
La fig. 6 mostra longitudinalmente
il complesso della vasca e del cestello in essa contenuto, mentre la fig. 7
mostra la vista anteriore del medesimo complesso. I disegni, sia della
vasca, sia del cestello, sono concepiti in modo che ciascuno dei componenti possa essere realizzato mediante operazioni di deformazione
plastica a freddo totalmente automatizzate. Ciascun componente presenta poi, in virtù del perfetto coordinamento tra disegno e tecnologia
di trasformazione, una struttura
sufficientemente rigida e resistente
pur avendo origine da un laminato
di spessore estremamente sottile.
Le unioni, totalmente aggraffate,
consentono di evitare l'uso di saldature che nei tipi ferritici tradizionali
come il 430, soprattutto se sottoposti
a sollecitazione a fatica, possono rivelarsi di scarsa tenacità. La presenza degli interstizi, dovuti all'aggraffatura, d'altra parte, non provoca pericoli di corrosione interstiziale nella vasca perché le giunzioni
sono opportunamente sigillate, per
ovvie questioni di tenuta. Nel cestello, parimenti, il problema non si pone dato che il ciclo di lavoro prevede
la risciacquatura e l'asciugatura finale con la rimozione di eventuali
tracce di soluzioni aggressive.
Dal punto di vista economico, la
scelta del tradizionale ferritico AISI
430 limita il costo del materiale di
partenza, fornendo tuttavia una assoluta garanzia nei confronti delle
aggressioni che si determinano ciclicamente, ma che sono seguite,
volta a volta, da risciacqui e asciugature che assicurano una continua
ripassivazione dell'elemento.
24 - Maggio 1982
3.4. Contenitori per cucina
Si tratta di una serie di contenitori
progettati da Roberto Sambonet, di
dimensioni in progressione aritmetica, ricavati per imbutitura «in un
sol pezzo » partendo le lamiere di acciaio inossidabile austenitico AISI
304, di spessore 1 mm e con finitura
2B.
Gli otto contenitori (fig. 8) sono raggnippati in due serie di quattro elementi ciascuna, quattro di maggior
profondità e quattro di profondità
minore, con diametri di bocca eguali
due a due. Ciascun contenitore fondo si può accoppiare, in questo modo, con l'omologo, di minor profondità, in modo da formare una coppia
«contenitore/copèrchio ».
Le finiture interne ed esterne di ciascun elemento sono ottenute per lucidatura meccanica.
Ogni serie di quattro contenitori è
contenibile nel contenitore di maggior dimensioni e i due gruppi sono
sovrapponibili in modo che tutta la
serie è contenuta nella coppia di
massime dimensioni (fig. 9). Si realizza così una elevata utilizzazione
dello spazio di stivaggio.
Il progetto, nato nel 1963 come serie
di vasellame non da fuoco, ha subito
una evoluzione all'inizio degli anni
'70 mediante l'applicazione su ciascun elemento di un fondo termodiffusore, così che ognuno di essi
può essere utilizzato come vasellame da fuoco, aperto o chiuso.
Il progetto, anche dal punto di vista
formale, raggiunge l'essenzialità tipica delle cose belle. Esso è, a mio
avviso, un esempio riuscito di quanto si può ottenere dall'acciaio inossidabile interpretandolo in modo da
sfruttare a fondo tutte le sue caratteristiche intrinseche e tecnologiche.
Dal punto di vista dei criteri progettuali si può infatti osservare che il
progettista ha sintetizzato armonicamente:
— le caratteristiche igieniche del-
Fig. 6 - Visione laterale del complesso cestello e vasca di lavapanni
realizzati con nastro di acciaio AISI
430, spessore 0,4 mm, semplicemente aggraffati (Candy-Brugherio).
Fig. 8 - Serie di otto contenitori modulari per cucina di acciaio AISI 304
a struttura monolitica (Sambonet
-Vercelli).
l'AISI 304, che consentono ai contenitori di essere utilizzati a contatto con gli alimenti in qualunque
condizio: e d'uso;
— le caratteristiche fisiche e meccaniche del materiale, che consentono il rapido passaggio dal freddo
al caldo e viceversa del contenitore
(per quanto riguarda la sua limitata
conducibilità termica si è ricorsi all'applicazione del fondo termo-diffusore) e un maneggio «disinvolto e
vigoroso» senza problemi di danneggiamento a seguito di urti;
— le caratteristiche tecnologiche,
che permettono l'imbutitura dell'elemento in un solo pezzo;
Fig. 7 - Vista frontale del complesso
vasca-cestello illustrato in fig. 6.
Fig. 9 - Schema di accoppiamento e
di stivaggio degli otto contenitori illustrati in fig. 8.
— le finiture superficiali, che sottolineano insieme l'aspetto esteriore
del contenitore e che ne esaltano le
caratteristiche di pulibilità;
— il disegno, che contemporaneamente: evita la presenza degli interstizi (igienicamente sempre problematici), introduce ampi e generosi
raccordi tra le superfici di lavoro
(fondo e pareti), limita quelli nelle
zone dove sono richiesti un maggior
irrobustimento e una buona superficie di accoppiamento (bordo e manici) e crea infine le premesse per
uno stivaggio, sfruttando lo spazio
alle estreme conseguenze.