Gli acciai legati sono particolari acciai in cui sono presenti altri elementi oltre a ferro e carbonio, al fine di migliorarne le caratteristiche chimico-fisiche.
La normativa definisce acciai legati quelle leghe Fe-C nei quali almeno uno dei tenori degli elementi di lega supera il limite indicato nel prospetto I della UNI EN 10020.
Per convenzione gli acciai legati si suddividono in: bassolegati: nessun elemento al di sopra del 5% altolegati: almeno un elemento di lega al di sopra del 5%
Vari elementi in lega con il ferro ne influenzano le proprietà, alcuni in maniera positiva, altri in maniera negativa. La possibilità di legare l'acciaio con altri elementi lo rende un materiale estremamente versatile.
Elementi che migliorano le proprietà fisiche e meccaniche
La tabella seguente riporta la designazione AISI-SAE dei principali acciai legati (la maggior parte bassolegatiLa definizione di "acciai bassolegati" non è universale: alcuni definiscono gli acciai bassolegati quelli che hanno un tenore di elementi alliganti minore del 4% (Smith e Hashemi), mentre per altri autori questa percentuale è dell'8% (Degarmo). ), con le rispettive percentuali di elementi alliganti:*, p. 394. + Principali acciai legati Designazione SAE Denominazione Composizione 13xx Acciai al manganese Mn 1,75% 23xx Acciai al nichel Ni 3,50% 25xx Acciai al nichel Ni 5,00% 31xx Acciai al nichel-cromo Ni 1,25%, Cr 0,65% oppure 0,80% 32xx Acciai al nichel-cromo Ni 1,75%, Cr 1,07% 33xx Acciai al nichel-cromo Ni 3,50%, Cr 1,50% oppure 1,57% 34xx Acciai al nichel-cromo Ni 3,00%, Cr 0,77% 40xx Acciai al molibdeno Mo 0,20% oppure 0,25% oppure 0,25% Mo e 0,042% S 41xx Acciai al cromo-molibdeno Cr 0,50% oppure 0,80% oppure 0,95%, Mo 0,12% oppure 0,20% oppure 0,25% oppure 0,30% 43xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 1,82%, Cr 0,50% ÷ 0,80%, Mo 0,25% 43BVxx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 1,82%, Cr 0,50%, Mo 0,12% oppure 0,25%, V 0,03% minimo 44xx Acciai al molibdeno Mo 0,40% oppure 0,52% 46xx Acciai al nichel-molibdeno Ni 0,85% oppure 1,82%, Mo 0,20% oppure 0,25% 47xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 1,05%, Cr 0,45%, Mo 0,20% oppure 0,35% 48xx Acciai al nichel-molibdeno Ni 3,50%, Mo 0,25% 50xx Acciai al cromo Cr 0,27% oppure 0,40% oppure 0,50% or 0,65% 50xxx Acciai al cromo Cr 0,50%, C 1,00% minimo 50Bxx Cr 0,28% oppure 0,50% 51xx Acciai al cromo Cr 0,80% oppure 0,87% oppure 0,92% oppure 0,95% oppure 1,00% oppure 1,05% 51xxx Acciai al cromo Cr 1,02%, C 1,00% minimo 51Bxx Cr 0,80% 52xxx Acciai al cromo Cr 1,45%, C 1,00% minimo 61xx Acciai al cromo-vanadio Cr 0,60% oppure 0,80% oppure 0,95%, V 0,10% oppure 0,15% minimo 72xx Acciai al cromo-tungsteno W 1,75%, Cr 0,75% 81xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 0,30%, Cr 0,40%, Mo 0,12% 86xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,20% 87xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,25% 88xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 0,55%, Cr 0,50%, Mo 0,35% 9xx Acciai legati ad alta resistenza varie composizioni 92xx Acciai al silicio-manganese Si 1,40% oppure 2,00%, Mn 0,65% oppure 0,82% oppure 0,85%, Cr 0,00% oppure 0,65% 93xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 3,25%, Cr 1,20%, Mo 0,12% 94xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12% 94Bxx Ni 0,45%, Cr 0,40%, Mo 0,12% 97xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 1,00%, Cr 0,20%, Mo 0,20% 98xx Acciai al cromo-molibdeno-nichel Ni 1,00%, Cr 0,80%, Mo 0,25%
Acciai al nichel L'effetto primario del nichel come legante è la forte variazione del coefficiente di dilatazione termica: l'acciaio al nichel più comune ha un tenore di nichel del 36% ed è noto anche come acciaio INVAR, perché ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente ridotto. Si produce anche un acciaio con il 20% di nichel, che invece ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente elevato, e si usa accoppiarlo con l'INVAR per produrre le lamine bimetalliche, che si incurvano moltissimo al variare della temperatura e sono usate per esempio negli interruttori elettrici di sicurezza.
Tutte le proprietà subiscono forti oscillazioni. Tre sono i tenori ai quali appaiono le più importanti anomalie: 25-28%: la lega perde le proprietà magnetiche – resistenza a corrosione; 36%: i massimi o minimi delle curve che rappresentano l'andamento delle proprietà; 78%: massimo della curva – superstruttura ordinata. Con l'aggiunta il coefficiente di dilatazione termica alfa cresce dal valore 12E-6 del Fe al max 20E-6 (comune a tutte le strutture austenitiche), poi cade a 2E-6 al 36% di Ni, e poi si stabilizza al 13E-6 del nichel puro. Quindi con la scelta opportuna della % si possono ottenere molti valori del coefficiente:
Nilo42: Ni 40%, stesso alfa della porcellana Nilo48/50 o platinite: stesso alfa del platino e del vetro, per accoppiamenti Invar: 36% Bimetall: saldando due strisce con alfa opposti, interruttori, si incurva.
Il C allarga il campo di esistenza dell'austenite e quindi accentua l'effetto del Ni di abbassare i punti critici (rende quindi possibile l'austenite a temperatura ambiente). Può essere aggiunto in qualsiasi momento del processo perché non prende parte a nessuna reazione. Si trova disciolto tutto in austenite o ferrite perché non forma carburi stabili.
Vantaggi abbassa la temperatura di ricottura e tempra (perché abbassa i p.ti critici); abbassa la velocità critica (possibile la tempra con olio), quindi maggiore anche penetrazione di tempra; migliora la tenacità; non peggiora la deformabilità dell'acciaio. aumenta la durezza e la resistenza (dopo bonifica).
Svantaggi non è desiderato negli acciai da nitrurazione (forma con l'azoto dei nitruri fragilissimi) e in quelli da utensili. può essere molto costoso.
Acciai al manganese Il manganese è solubile nel ferro in tutte le proporzioni. Piccole concentrazioni di manganese (0,3%) sono sempre presenti nell'acciaio, in quanto esso viene usato come deossidante e desolforante; l'accezione "acciai al Mn" si riferisce quindi ad una percentuale di manganese almeno pari all'1%.
Il manganese aumenta la penetrazione della tempra negli acciai, ma diminuisce la resilienza rendendoli più fragili se non si usano opportune precauzioni durante il trattamento termico di rinvenimento. Il manganese aumenta in generale la durezza e la resistenza all'usura. L'aumento di durezza e di caratteristiche meccaniche (con bassa diminuzione di tenacità) avviene in esercizio: il plastico reticolo CFC (cubico a facce centrate) permette infatti un forte incrudimento per bassi carichi (anche impulsivi). Ciò li rende adatti all'uso nelle casseforti. Inoltre, gli acciai al manganese sono spesso usati nella costruzione di pezzi di grosse dimensioni, dove sono richieste elevate caratteristiche meccaniche anche in zone molto profonde del pezzo.
Il manganese influenza i valori dei punti critici in modo analogo al nickel, quindi è sufficiente una concentrazione del 12% per avere austenite a temperatura ambiente.
Non viene mai usata la struttura martensitica di questi acciai, perché troppo fragile.
Vantaggi abbassa la temperatura di ricottura e di tempra; abbassa velocità critica, migliora la penetrazione di tempra; diminuisce le deformazioni di tempra; aumenta tenacità; aumenta molto la resistenza a trazione (100N/mm² ogni 1%); indiretta migliore deformabilità a caldo perché desolfora e deossida.
Svantaggi abbassa conducibilità termica (preriscaldo); sensibilità al surriscaldo: ovvero ingrossamento del grano perlitico; bassa lavorabilità agli utensili: si fanno casseforti.
Acciai al cobalto Il cobalto non si ossida e viene aggiunto in ogni momento. Il solo elemento che aumenta la velocità critica e quindi diminuisce la penetrazione della tempra. Rende più stabile la martensite quindi rende meno sensibile la lega al rinvenimento. La lavorabilità a caldo è ridotta.
Acciai al rame Il rame aggiunto in qualunque momento e lo si ritrova tutto nell'acciaio a fine colata (rottami devono essere esenti da rame se non lo si vuole). Lieve miglioramento delle caratteristiche meccaniche per il segregamento a bordo grano. Saldabilità fino a 0,6% e lavorabilità a caldo fino a 1,7%. 0,30% per resistenza agli agenti atmosferici.
Acciai all'azoto Con l'azoto si ha una specifica azione sul fenomeno dell'invecchiamento (vedi), stabilizza l'austenite (allarga il campo).
Acciai all'alluminio Potente deossidante (come Si), bisogna evitarne l'ossidazione (l'allumina come inclusione metallica è dannosa). Favorisce la separazione della grafite e ostacola la diffusione del C. Con l'azoto fa nitruri durissimi (acciai da nitrurazione). Da resistenza all'ossidazione a caldo e alta resistività (resistenze elettriche a caldo). Peggiora la saldabilità.
Acciai al cromo Il cromo aumenta la durezza e il limite di elasticità dell'acciaio. In quantità maggiori del 12% (in realtà la percentuale è un po' più alta perché dipende anche dagli altri elementi di lega) il cromo rende l'acciaio inossidabile e resistente agli agenti chimici. Gli acciai al cromo sono usati per cuscinetti, valvole di motore a combustione, parti di impianti termici e chimici.
Il cromo tende ad ossidarsi, va aggiunto perciò nel periodo riducente. Ha elevata tendenza a formare carburi.
diminuisce conducibilità termica; aumenta resistività; notevoli proprietà magnetiche; aumenta la resistenza a trazione (senza modificare altre proprietà per i perlitici); influenza molto la temprabilità (autotempranti, in aria per piccoli pezzi); stabilità al rinvenimento delle strutture temprate; inossidabilità e resistenza all'ossidazione a caldo; se forma carburi da resistenza all'usura; lavorabilità a caldo non peggiora se c'è molto C.
Acciai al molibdeno Il molibdeno aumenta la penetrazione degli effetti della tempra negli acciai e mantiene le caratteristiche meccaniche della tempra anche a temperature elevate.
Il molibdeno appartiene allo stesso gruppo del cromo, per cui forma carburi complessi molto duri e stabili. Aggiunto in qualunque momento come il Ni. Il 3% di Mo chiude il campo di esistenza dell'austenite. La sua solubilità nel ferro è limitata: al 10% si comincia a vedere il composto Fe3MO2. aumenta temprabilità più di Cr; aumenta durezza più del Cr; stabilizza la martensite anche ad alte temperature (usato negli acciai rapidi); aumenta le Cm come limite a fatica e scorrimento a caldo; elimina il pericolo della fragilità da rinvenimento.
Acciai al cromo-molibdeno L'acciaio al cromo-molibdeno, presenta i vantaggi apportati sia dal cromo che dal molibdeno, conferendo elevate doti di temperabilità e durezza. I componenti principali sono il cromo e il molibdeno. Rispetto ad un acciaio non legato, presenta maggiore resistenza ai carichi, minore peso specifico, e migliore resistenza alla trazione. Viene impiegato nella costruzione di telai ciclistici e motociclistici, in genere come acciaio DIN (denominazione ASTM: 4130, avente composizione: Cr 1%, Mo 0,3%, C 0,3%, fosforo e silicio in minime parti.). Contrariamente a quanto si può pensare gli acciai al Cr-Mo non sono apprezzati solo per la loro resistenza a temperatura ambiente, infatti con questi acciai si realizzano tubazioni e recipienti per alte temperature in quanto hanno un'ottima resistenza allo scorrimento viscoso (creep) conferitogli dalla presenza del Mo in forma sostituzionale nella matrice di Fe e dalla presenza di carburi dispersi di Mo e di Cr, e per alcune leghe anche di Vanadio.
Acciai al nichel-cromo-molibdeno thumb|upright=0.5|Biella in acciaio.
Gli acciai al nichel-cromo-molibdeno sono i migliori in assoluto per le caratteristiche meccaniche (carico di rottura = Rm = 1200 N/mm²).
Sono usati per alberi a manovella, ingranaggi, bielle, parti di motori a scoppio, fucili, catene antifurto.
Un esempio di acciaio al nichel-cromo-molibdeno è l'acciaio 42NiCrMo4.
Acciai al silicio