TIPOLOGIA DEI MATERIALI IMPIEGATI NELLE
COSTRUZIONI E NEGLI IMPIANTI
MATERIALI FERROSI
I materiali ferrosi utilizzati nelle costruzioni meccaniche e negli impianti sono la ghisa e
l’acciaio, che sono leghe del ferro.
Il ferro, allo stato puro, essendo molto tenero, è scarsamente utilizzato.
LE GHISE
Le ghise sono leghe Fe-C con un tenore di carbonio pari a C = 2,06 ÷ 6,67 %.
•
Caratteristiche ed impieghi delle ghise
La ghisa madre proveniente dall’alto forno può essere rifusa con altri rottami di ghisa e di acciaio
e correttivi per definire in maniera più precisa la composizione chimica.
Le proprietà meccaniche e tecnologiche della ghisa dipendono dalla composizione chimica e
dalla velocità di raffreddamento cui è soggetta la ghisa liquida quando viene versata nella forma di
terra.
1) Se la velocità di raffreddamento è lenta si ottiene la ghisa grigia (il nome deriva dalla
presenza delle lamelle di grafite per cui, alla frattura, la ghisa si presenta grigia).
Se la velocità di raffreddamento è veloce si ottiene la ghisa bianca (per la presenza di
carbonio sotto forma di carburo di ferro Fe3C detto cementite).
La ghisa grigia è lavorabile alle macchine utensili, è resistente a compressione, ha una discreta
durezza, è fragile, viene utilizzata per produrre pezzi fusi data la sua buona colabilità.
La ghisa bianca è durissima, è molto fragile, non è lavorabile. E’ utilizzata solo per getti.
2) La ghisa risulta costituita principalmente da ferro, carbonio, silicio e manganese.
- Il carbonio può essere sotto forma di cementite (che è dura) o di grafite (che è tenera).
- Il silicio, quando ha un tenore superiore al 2 %, favorisce la formazione del carbonio
granitico. Esso inoltre fa diminuire la resistenza, la durezza e la fragilità della ghisa. Fa
aumentare invece la scorrevolezza e la lavorabilità all’utensile.
- Il manganese favorisce la formazione della cementite ed ha effetto opposto al silicio.
1
a) Le ghise sono fusibili (fondono tra i 1150° ed i 1300°) e colabili (danno getti esenti da
soffiature). Si possono ottenere forme anche complicate.
b) Le ghise hanno capacità autolubrificante (dovuta alla presenza del carbonio grafitico):
basso coefficiente d’attrito
limitata usura
adatte alla costruzione di guide per macchine utensili.
c) Le ghise smorzano le vibrazioni
adatte alla costruzione di basamenti per macchine utensili.
Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, le ghise comuni hanno scarsa resistenza a trazione,
scarso allungamento, scarsa resistenza agli urti e grande durezza.
Vediamo le altre caratteristiche:
- Lavorabilità alle Macchine utensili
Solo le ghise bianche non legate non sono lavorabili
- Lavorabilità per deformazione plastica
Praticamente è nulla
- Saldabilità
In genere è scarsa
- Resistenza alla corrosione
E’ buona
- Resistenza alle alte temperature
Lo scorrimento viscoso dei piani atomi dei reticoli cristalli, che pregiudica le proprietà
meccaniche, avviene per temperature maggiori di 400 °C.
- Conducibilità elettrica
La ghisa grigia ha una resistività pari a 1,2 [Ω · mm2/m]
- Dilatazione termica
La ghisa grigia ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 10 · 10-6 [1/°C]
- Massa Volumica
E’ pari a 7,2 [kg/dm3]
2
•
Ghise speciali
Le ghise comuni non sono né malleabili né duttili, non sono fucinabili, sono difficilmente
saldabili, hanno scarsa resistenza a trazione ed agli urti, ma sono fusibili e colabili per cui sono
particolarmente adatte alla produzione di oggetti per via di fusione.
Le ghise speciali sono state ideate per raccogliere i seguenti scopi:
1) Ottenere un prodotto che unisca ai pregi della ghisa (colabilità e fusibilità) i pregi degli
acciai (tenacità, elasticità, resistenza a trazione, fucinabilità, saldabilità).
2) Ottenere un prodotto avente particolari caratteristiche: resistenza alla corrosione, all’usura,
al calore.
Tra i numerosi tipi di ghisa speciale ricordiamo quelle al Ni, al Ni-Cr, al Ni-Cr-Cu, le ghise
sferoidali e le ghise malleabilizzate.
Ghise sferoidali
Si ottengono direttamente in fonderia trattando la
ghisa liquida, colata in siviera dal cubilotto o dal forno
elettrico, con l’aggiunta di magnesio (5 ÷ 10 %) e
nichel. Questo fa si che la grafite si raccolga non sotto
forma di lamelle bensì di noduli rotondeggianti
(sferoidi) distribuiti in modo irregolare nella matrice
metallica, costituita da ferrite molto tenace.
Le ghise sferoidali posseggono ottima resistenza a
trazione, buoni allungamenti, buona resistenza all’urto,
pur conservando elevata durezza e colabilità. Sono
fucinabili e saldabili.
Esse hanno, quindi, proprietà simili a quelle degli acciai, per esempio:
R = 500 [N/mm2] ; A = 10 % ; K = 50 [J/cm2] ; HBS = 270
Ghise malleabili
Sono ghise bianche sulle quali é stato fatto un trattamento termico di “malleabilizzazione”. La
ghisa bianca, decarburata, perde così durezza e fragilità, acquistando un certo allungamento,
attitudine al piegamento ed un po’ di resilienza, divenendo così saldabile e lavorabile alle macchine
utensili. Nel contempo permane la fusibilità e la col abilità.
Ecco i valori di alcune caratteristiche meccaniche:
R = 350 ÷ 450 [N/mm2] ; A = 8 ÷ 10 % ; HBS = 160 ÷ 190
•
Designazione UNI delle ghise
Le ghise grigie sono designate in funzione delle caratteristiche meccaniche, secondo la Norma
UNI EN 1561 del novembre 1998, che sostituisce la UNI ISO 185. Sono previste sei ghise grigie
definite in base alla resistenza a trazione e sei ghise grigie definite in base alla durezza Brinell.
Il prospetto 1 della Norma in oggetto può essere semplificato nella tabella seguente:
3
Designazione
della ghisa
grigia per getti
Diametro
del getto
grezzo di
fonderia
in [mm]
EN-GJL-100
30
Resistenza a trazione
Rm in [N/mm2] su
saggio colato
separatamente
(in grassetto il valore
nominale minimo di
accettazione)
da 100 a 200
EN-GJL-150
30
EN-GJL-200
Carico unitario di
scostamento dalla
proporzionalità
0,1% Rp0,1
[N/mm2]
Allungamento
%
da 150 a 250
da 98 a 165
da 0,8 a 0,3
30
da 200 a 300
da 130 a 195
da 0,8 a 0,3
EN-GJL-250
30
da 250 a 350
da 165 a 228
da 0,8 a 0,3
EN-GJL-300
30
da 300 a 400
da 195 a 260
da 0,8 a 0,3
EN-GJL-350
30
da 350 a 450
da 228 a 285
da 0,8 a 0,3
Modulo di
elasticità
[N/mm2]
da 78000 a
103000
da 88000 a
113000
da 103000
a 118000
da 108000
a 137000
da 123000
a 143000
Massa
volumica ρ
[g/cm3]
7,10
7,15
7,20
7,25
7,30
Il getto di ghisa grigia può essere classificato in base ai valori di durezza Brinell:
Designazione della ghisa
grigia per getti
Spessore di parete
determinante in [mm]
EN-GJL-HB155
EN-GJL-HB175
EN-GJL-HB195
EN-GJL-HB215
EN-GJL-HB235
EN-GJL-HB255
40 ÷ 80
40 ÷ 80
40 ÷ 80
40 ÷ 80
40 ÷ 80
40 ÷ 80
Resistenza a trazione in [N/mm2] su
saggio colato separatamente
(in grassetto il valore nominale minimo di
accettazione)
max 155
da 100 a 175
da 120 a 195
da 145 a 215
da 165 a 235
da 185 a 255
Anche le ghise sferoidali sono designate in funzione delle caratteristiche meccaniche, secondala
Norma UNI EN 1563 del novembre 1998, che sostituisce la UNI ISO 1083.
Designazione
della ghisa
sferoidale
Resistenza a
trazione Rm in
[N/mm2] su
saggio colato
separatamente
Carico unitario
di scostamento
dalla
proporzionalità
0,2% Rp0,2
[N/mm2]
EN-GJS-350-22
EN-GJS-400-18
EN-GJS-400-15
EN-GJS-450-10
EN-GJS-500-7
EN-GJS-600-3
EN-GJS-700-2
350
400
400
450
500
600
700
EN-GJS-800-2
EN-GJS-900-2
Allungamento
% min
Modulo di
elasticità
[N/mm2]
Massa
volumica ρ
[g/cm3]
220
240
250
310
320
370
420
22
18
15
10
7
3
2
169
169
169
169
169
174
176
7,1
7,1
7,1
7,1
7,1
7,2
7,2
800
480
2
176
7,2
900
600
2
176
7,2
4
Struttura
prevalente
Ferrite
Ferrite
Ferrite
Ferrite
Ferrite-Perlite
Ferrite-Perlite
Perlite
Perlite o
Martensite
rinvenuta
Martensite
rinvenuta
(Perlite per getti
grandi)
Il getto di ghisa a grafite sferoidale può essere classificato in base ai valori di durezza Brinell, in
aggiunta od in alternativa alla classificazione in base alla resistenza a trazione già vista.
Designazione della
ghisa sferoidale
EN-GJS-HB130
EN-GJS-HB150
EN-GJS-HB155
EN-GJS-HB185
EN-GJS-HB200
EN-GJS-HB230
EN-GJS-HB265
EN-GJS-HB300
EN-GJS-HB330
Durezza
Brinell HB
meno di 160
da 130 a 175
da 135 a 180
da 160 a 210
da 170 a 230
da 190 a 270
da 225 a 305
da 245 a 335
da 270 a 360
Resistenza a
trazione Rm in
[N/mm2] su
saggio colato
separatamente
350
400
400
450
500
600
700
800
900
Carico unitario di
scostamento dalla
proporzionalità 0,2%
Rp0,2 [N/mm2]
220
250
250
310
320
370
420
480
600
GLI ACCIAI
Gli acciai sono leghe Fe-C con un tenore di carbonio pari a C = 0,008 ÷ 2,06 %.
Gli acciai si possono suddividere in due categorie: acciai comuni e acciai speciali.
1) Acciai comuni
Gli acciai comuni (o acciai semplici o acciai al carbonio) sono quegli acciai che contengono
impurezze in numero abbastanza elevato ed il tenore degli elementi in lega non é controllato.
Eventuali altri elementi sono presenti come residui del processo di fabbricazione.
La presenza del carbonio nell’acciaio conferisce durezza. Per questo, per gli acciai comuni, é
molto utilizzata la seguente classificazione pratica d’officina:
•
•
•
•
•
•
Acciai extra dolci
“ dolci
“ semidolci
“ semiduri
“ duri
“ extraduri
C < 0,008 %
C = 0,008 ÷ 0,1 %
C = 0,1 ÷ 0,40 %
C = 0,40 ÷ 0,55 %
C = 0,55 ÷ 0,80 %
C = 0,80 ÷ 2 %
Microstruttura di
un acciaio dolce
Gli acciai comuni sono utilizzati in tutte quelle applicazioni che non richiedono particolari
esigenze (carpenteria, viti, pezzi meccanici ottenuti alle macchine utensili …).
Gli acciai aventi carbonio C < 0,2 si possono indurire superficialmente con trattamenti di
carbocementazione o di nitrurazione. Gli acciai aventi C > 0,35 % possono aumentare la loro
durezza complessiva mediante il trattamento termico di tempra.
2) Acciai speciali
Gli acciai speciali, oltre al carbonio, contengono altri elementi in quantità tale da modificare le
proprietà meccaniche e tecnologiche. Essi hanno percentuale bassa e controllata delle impurezze ed
anche il tenore degli elementi aggiunti é controllato.
5
Gli elementi in lega più utilizzati sono: nichel, cromo, molibdeno, tungsteno, vanadio, cobalto,
silicio …
Questi acciai, anche se rappresentano soltanto un quarto della produzione mondiale dell’acciaio,
risultano i più richiesti per le importati applicazioni tecnologiche e meccaniche che permettono.
•
Caratteristiche ed impieghi degli acciai
Gli acciai uniscono nello stesso materiale tre importanti caratteristiche:
-
buon carico di rottura
buona durezza
buona resistenza agli urti
Per questo gli acciai sono utilizzati per costruire organi di macchine soggetti a sollecitazioni (alberi
di trasmissione, ingranaggi, bielle …).
- Lavorabilità alle macchine utensili
E’ buona.
- Lavorabilità per deformazione plastica
E’ buona.
- Fusibilità e colabilità
L’acciaio è scarsamente fusibile perché fonde a oltre 1300 °C
Anche la colabilità è generalmente scarsa.
- Saldabilità
Gli acciai sono saldabili.
L’aumento della percentuale di carbonio diminuisce la saldabilità:
riscaldamento
alterazione della struttura cristallina
fragilità
- Resistenza alla corrosione
E’ ottima per gli acciai inossidabili, che hanno più del 12 % di cromo.
- Resistenza alle basse temperature
L’acciaio è fragile alle basse temperature. Le proprietà meccaniche sono pregiudicate già a – 15°
nel caso di sollecitazioni dinamiche e a – 150° nel caso di sollecitazioni statiche.
La fragilità alle basse temperature diminuisce con l’aggiunta di nichel, silicio e manganese.
Gli acciai resistenti alle basse temperature sono detti “acciai criogenici”.
6
- Resistenza alle alte temperature
Lo scorrimento viscoso dei piani atomici dei reticoli cristallini dell’acciaio compare per
temperature maggiori di 200 °C.
Il limite suddetto si può innalzare con l’aggiunta di molibdeno, titanio, cobalto e tungsteno.
- Conducibilità termica
L’acciaio ha un basso coefficiente di conducibilità termica: 57 [J/m · s · °C]
- Conducibilità elettrica
L’acciaio ha una resistività pari a 0,10 ÷ 0,25 [Ω · mm2/m]
- Dilatazione termica
L’acciaio ha un coefficiente di dilatazione termica pari a 12 · 10-6 [1/°C]
- Modulo di elasticità
Il modulo di elastica E = 210 000 [N/mm2] risulta il più elevato dei materiali metallici. Quindi gli
acciai sono pochissimo deformabili sotto gli sforzi meccanici.
- Massa volumica
L’acciaio ha una massa volumica di 7,8 [kg/dm3]
•
Designazione UNI degli acciai
La norma UNI EU 10020 (o UNI EU 20) definisce acciaio “un materiale in cui il ferro é l’elemento
predominante e in cui il tenore di carbonio é di regola minore del 2 % e che contiene altri elementi. Un
numero limitato di acciai al cromo può avere un tenore di carbonio maggiore del 2 %, ma tale valore del 2
% é il tenore limite corrente che separa l’acciaio dalla ghisa”.
La norma suddetta definisce due classi: acciai non legati e acciai legati. La medesima norma, indica i
valori degli elementi aggiunti che delimitano gli acciai non legati da quelli legati.
Valori limite di alcuni elementi di alligazione per la suddivisione
degli acciai in legati e non legati (da UNI EU 20)
Simbolo Elemento
Tenore
limite
Al
Alluminio
0,10
B
Boro
0,10
Bi
Bismuto
0,0008
Co
Cobalto
0,10
Cr
Cromo
0,30
Cu
Rame
0,40
Mn
Manganese
1,80
Mo
Molibdeno
0,08
Nb
Niobio
0,06
Ni
Nichel
0,30
Pb
Piombo
0,40
Si
Silicio
0,50
Ti
Titanio
0,05
V
Vanadio
0,10
W
Tumgsteno (o Wolframio)
0,10
7
1) Acciai non legati
Sono quegli acciai in cui nessuno dei tenori limiti indicati nel prospetto suddetto é raggiunto.
Questi acciai sono classificati in: acciai di base, acciai di qualità e acciai speciali
2) Acciai legati
Sono quegli acciai per i quali almeno un limite indicato nel prospetto suddetto é raggiunto.
Questi acciai sono classificati in: acciai di qualità e acciai speciali.
Nel 1970 la tabella UNI 5372 ha stabilito una designazione convenzionale degli acciai, suddividendoli in
due grandi gruppi e successivi sottogruppi.
Nel 1977, l’UNI ha pubblicato la tabella UNI EU 27, differenziandosi, però, in maniera molto limitata
rispetto alla Uni 5372.
1.1 designati in base alle
caratteristiche meccaniche
ACCIAI DEL
1° GRUPPO
( Designati in base alle caratteristiche
meccaniche ed all’impiego )
1.2
2.1 acciai non legati
( solo Fe e C )
designati in base al
loro impiego
2.1.1 destinati a
trattamento
termico
2.1.2
ACCIAI DEL
2° GRUPPO
per impieghi
particolari
( Designati in base alla
composizione chimica)
2.2.1 debolmente
legati ( % < 5 )
2.2
acciai legati
( hanno altri elementi )
2.2.2 fortemente
legati (% ≥ 5 )
8
Esempi:
Fe 370: è un acciaio del 1° gruppo designato in base alle caratteristiche meccaniche (Rm = 370
N/mm2)
C 40: è un acciaio del 2° gruppo designato in base alla composizione chimica, non legato (il
carbonio ha tenore C = 0,40%)
38 Ni Cr Mo 4: è un acciaio del 2° gruppo designato in base alla composizione chimica, debolmente
legato (C = 0,38 % - Ni = 1 % - Cr e Mo non specificati)
X 78 W Co 18 05: è un acciaio del 2° gruppo designato in base alla composizione chimica,
fortemente legato (C = 0,78 % - W = 18 % - Co = 5 %).
•
Criteri per la scelta degli acciai
La scelta del tipo di acciaio per la costruzione di un determinato organo meccanico dipende dalla
qualità e dalle caratteristiche che deve possedere l’organo nonché dal prezzo e dalla sua lavorabilità.
Gli acciai al carbonio ordinari sono i più economici e, spesso, i più facilmente lavorabili. Essi
sono utilizzati quando le caratteristiche meccaniche e tecnologiche sono sufficienti.
Gli acciai speciali, legati, sono utilizzati quando i pezzi meccanici da costruire devono avere
caratteristiche di durezza, tenacità, elasticità .... superiori a quelle offerte dagli acciai ordinari. In
questo caso anche le sezioni resistenti risultano minori con conseguente maggior leggerezza e minor
ingombro.
Quando non si ricorre agli acciai al carbonio ordinari, per le costruzioni meccaniche si usano
quasi esclusivamente le tre prime categorie del gruppo II (acciai non legati ed acciai legati
debolmente). Agli acciai fortemente legati si ricorre in casi particolari (molle, valvole di macchine
termiche ...).
Nella scelta del materiale si dovrà tener conto:
•
•
•
Del processo di fabbricazione dei pezzi (fusione, stampaggio ...)
Delle sollecitazioni cui il pezzo sarà sottoposto
Delle condizioni particolari in cui il pezzo dovrà lavorare (ambiente corrosivo, temperatura
elevata ...)
In commercio gli acciai sono disponibili nei seguenti stati di fornitura:
•
•
•
•
•
Fucinati
Trafilati (qualità di lavorazione h11 e H9)
Laminati (tolleranza da ± 0,25 a ± 3,5 per diametri da 6 a 175 [mm])
Barre tornite (h9)
Barre rettificate (h6 ÷ h8)
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