Acciai da bonifica

Acciai da bonifica
Nella scelta di un acciaio da bonifica, si deve tener conto dei seguenti fattori:
1) prezzo;
2) caratteristiche meccaniche (resistenza a trazione, limite di fatica, tenacità, durezza ecc.);
3) temprabilità;
4) forma e dimensioni del pezzo in relazione alla temprabilità;
5) processo di fabbricazione.
1) Prezzo
Come si è già detto, questo non deve essere il criterio principale di valutazione ma, considerando la forte
concorrenzialità esistente nel mondo industriale, la scelta non può prescindere da questo aspetto.
In tabella 1 sono riportati gli indici dei prezzi di alcuni acciai, da cui si rileva la forte differenza tra acciai al
carbonio e acciai legati.
ACCIAIO
INDICE DI PREZZO
39 Ni Cr Mo 3
C 40
C 60
42 Cr Mo 4
36 Cr Ni Mo 4
34 Cr Ni Mo 6
36 Cr Ni Mo 16
100
55
60
90
98
140
200
tabella 1
Dalla tabella si nota la forte convenienza che si avrebbe utilizzando acciai non legati; ciò però non è sempre
possibile per le scarse caratteristiche di temprabilità e di resistenza meccanica.
2) Caratteristiche meccaniche
a) Resistenza a trazione
In funzione dei carichi previsti e tenuto conto degli eventuali sovraccarichi, si dimensiona il particolare. Nelle
tabelle dei materiali sono riportate le caratteristiche degli acciai da bonifica (UNI EN 10083-3:2006). Si deve
ricordare che, a parità di durezza e di resistenza, è preferibile un acciaio al C bonificato o normalizzato a un
acciaio legato normalizzato o peggio ancora allo stato di fornitura, perché, oltre allo spreco di denaro dovuto
all’acquisto di un materiale più costoso, si avrebbe minor lavorabilità, dubbia tenacità e soprattutto scadente
resistenza a fatica. Da tener presente che non sempre il dimensionamento viene fatto sulla limitazione delle
tensioni interne, ma spesso sulla limitazione delle deformazioni. Questa imposizione è in genere molto più
restrittiva, e porta a uno sfruttamento solo parziale delle caratteristiche di resistenza.
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A. Pandolfo, G. Degli Esposti
Tecnologie meccaniche di processo e di prodotto
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b) Resistenza a fatica
Altra importante caratteristica del materiale da tener presente in sede di progetto è la resistenza a fatica.
Questa si può considerare correlata alla resistenza a trazione in modo proporzionale fino a valori di circa
1000 N/mm2, mentre per valori superiori tale dipendenza diventa fortemente incerta.
La migliore resistenza a fatica è conferita all’acciaio dalla struttura sorbitica (perché aumenta la resistenza
meccanica e la tenacità) ed è per questa ragione che i pezzi soggetti a elevata sollecitazione devono essere
bonificati con trasformazione martensitica non inferiore all’80%, contro il 50% accettabile in condizioni di
esercizio meno severe o di carichi statici. Inoltre, deve essere posta particolare cura per proteggere la
superficie dalla decarburazione o peggio ancora dalla ossidazione intergranulare, che favoriscono l’innesco
della frattura.
c) Resilienza
La resilienza è una caratteristica molto importante di collaudo, anche se non può essere utilizzata per i
calcoli di dimensionamento. In tabella 2 è riportata indicativamente la relazione tra resistenza e resilienza
per i diversi acciai.
C22
34CrNiMo6
25CrMo4
50
34CrNiMo6
C25
45
40
34CrMo4
25CrMo4
- 22Mn6
46Cr2
38Cr2
28Mn6
38Cr2
30
25
34CrNiMo6
36CrNiMo6
C30
C35
35
34NiCrMo16
42CrMo4
34CrMo4
34NiCrMo16
34CrNiMo6
30CrNiMo8
36CrNiMo4
50CrMo4
42CrMo4
30CrNiMo8
34NiCrMo16
51CrV4
2
Rm [N/mm ]
20
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
tabella 2
Per gli impieghi a bassa temperatura, la resilienza acquista grande importanza per l’influenza della
temperatura di transizione. In generale valgono le seguenti considerazioni:
- con l’aumentare del tenore di C, di S e di Mo aumenta la temperatura di transizione;
- il Ni riduce tale temperatura;
- il Cr l’aumenta leggermente.
Nel grafico 1 è riportata l’influenza del tenore di C sulla temperatura di transizione per acciai al semplice
Carbonio.
Resilienza [J]
250
C 10
200
C 20
150
100
C 30
C 40
C 60
C 70
50
C 80
0
-100
-50
0
50
100
150
200
250
Temperatura [°C]
grafico 1
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3) Temprabilità
La trasformazione in martensite dopo la tempra deve essere almeno dell’80% nelle zone meccanicamente
importanti. Questa considerazione incide sulle le dimensioni dell’organo meccanico; è indispensabile che
l’acciaio scelto presenti, nella zona che si ritiene meccanicamente importante, una trasformazione
martensitica, dopo tempra, almeno dell’80%. Ciò assicura, dopo il rinvenimento, la trasformazione in sorbite
e quindi anche la resistenza richiesta, accoppiata a tenacità.
La norma UNI EN 10083-3:2006 prevede la possibilità di ordinare gli acciai con banda di temprabilità
normale, indicata con la lettera H o con bande di temprabilità ristretta, che consentono variazioni minori sulla
durezza, indicati con le lettere HH e HL.
Sulle norme e sui cataloghi sono riportati i diametri massimi temprabili efficacemente con il mezzo temprante
idoneo per il tipo di acciaio prescelto. È sempre sconsigliabile ricorrere a mezzi tempranti più drastici di quelli
previsti per aumentare la penetrazione di tempra, perché diventa importante il problema delle tensioni
interne dovute al salto di temperatura.
4) Forma e dimensioni del pezzo in relazione alla temprabilità
Per evitare eccessive tensioni interne, all’aumentare delle dimensioni del pezzo è necessario ricorrere a
mezzi tempranti con drasticità inferiore; ciò comporta la necessità di utilizzare acciai ad alta temprabilità, e
quindi maggiormente legati e più costosi.
Oltre alle dimensioni, si deve tener conto della forma che si vuol raggiungere. Si deve tener presente che
dissimmetrie, spigoli vivi, forti variazioni di sezione sono sempre causa di difficoltà nel trattamento termico, e
questo si verifica in misura tanto maggiore quanto più è drastico il mezzo temprante. Pezzi con una
dimensione assai maggiore in confronto alle altre, per esempio un albero molto lungo rispetto al diametro, se
costruiti con un acciaio da temprare in acqua, possono dar luogo a distorsioni durante il raffreddamento; di
conseguenza saranno necessarie operazioni di raddrizzatura e si devono anche prevedere sovrametalli di
finitura maggiori gravando così sul costo, in misura superiore a quello che si avrebbe costruendo il
particolare con acciai legati, per i quali è previsto un raffreddamento in olio.
5) Processo di fabbricazione
La scelta degli acciai da bonifica deve necessariamente contemplare tutte le fasi di lavorazione per ottenere
l’organo meccanico desiderato.
La lavorabilità, a parità di condizioni, è migliore per acciai al solo C, mentre è più difficoltosa per quelli legati.
Anche quando la lavorazione viene eseguita allo stato ricotto, certi acciai (per es. 36 Ni Cr Mo 16)
presentano notevoli difficoltà e bisogna quindi tenerne conto nella scelta. La presenza di piombo può
facilitare fortemente la lavorabilità, soprattutto per la foratura, che rappresenta il tipo di lavorazione più critico
in quanto gli utensili non possono essere realizzati in materiale ceramico.
La saldabilità è una delle caratteristiche che solo l’acciaio 25 Cr Mo 4 possiede; per gli altri acciai non può
essere garantita tale proprietà, anche se si contano innumerevoli applicazioni di particolari saldati realizzati
con altri acciai (C 40 o 34 Cr Mo 4); in questi casi però si deve ricorrere a tecniche particolari di saldatura
(preriscaldo, raffreddamenti controllati ecc.).
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