Lacciaio è una lega ferrosa composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 1,7% in peso; oltre tale limite, le proprietà del materiale cambiano e la lega assume la denominazione di ghisa.
Storia
Nonostante già i romani si riferissero al termine acciaio (chalybs), esso in realtà era un tipo di ferro particolarmente resistente; solo nel 1740 venne prodotto l'acciaio moderno da B. Huntsman, che fuse del ferro cementato in un crogiolo, il che rese l'Inghilterra all'avanguardia nell'arte siderurgica. Nel 1783 fu adottato da H. Cort un nuovo metodo (puddellaggio) che consisteva nell'utilizzare il carbon fossile al posto della legna. Nel 1855, Henry Bessemer inventò il convertitore che da lui prende il nome, per la produzione dell'acciaio su larga scala.
Nel corso della storia, l'acciaio è sempre stato impiegato in modo assai versatile. Tale materiale è stato indispensabile per l'innovazione tecnologica di tutto il mondo. Infatti, senza la sua disponibilità e il suo basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Col passare del tempo, le tecniche di produzione dell'acciaio sono state perfezionate. Al giorno d'oggi, esistono molteplici tipologie di acciai, ciascuna relativa a diverse esigenze progettuali e di mercato.
Applicazione nell'industria automobilistica La rapida crescita del settore automobilistico contribuì all'espansione economica del dopoguerra (anni '50/'60) in U.S.A. Le industrie iniziarono a progettare veicoli più sicuri, più eco-sostenibili e più efficienti nel consumo di carburante. Aumentò la richiesta di materiali innovativi con alta performance, così da entrare in competizione con quelli dei mercati esteri.
In quegli anni, il governo statunitense pubblicò una legislazione molto severa (Federal Clean Air Act), che fu messa in vigore solo nel 1970. Essa garantiva un quadro normativo secondo cui dovevano essere ridotte e monitorate le emissioni inquinanti di anidride carbonica. Inoltre, fu istituita un’agenzia per la protezione ambientale, la Environmental Protection Agency (EPA).
Qualche anno dopo, nacque la NHTSA (National Highway and Traffic Safety Administration), un’amministrazione statunitense che si occupava di regolamentare il traffico dal punto di vista della sicurezza per tutti i veicoli a motore. Nel 1973 il prezzo dei carburanti aumentò notevolmente a causa di un’interruzione della fornitura derivante dall'embargo al petrolio arabo. Il settore dell'automotive iniziò a produrre autoveicoli più leggeri e di minori dimensioni, che quindi richiedessero un basso consumo di carburante.
Nell’industria automobilistica aumentò la produzione di rimmed steels, ovvero “acciai effervescenti” (un tipo di acciaio disossidato a bassa quantità di carbonio), per la loro superiore qualità sulla superficie, purezza e duttilità. Tali materiali potevano essere rafforzati per alligazione, aumentando il tenore di carbonio o di azoto con un trattamento termico post-formatura. Tuttavia, questi acciai davano due problemi principali: il primo riguardava le linee di Luder, ovvero linee di allungamento date da prove di trazione, e il secondo era dovuto al fatto che non era un processo moderno come la colata continua di getti, più efficiente della tradizionale colata di lingotti con conseguente produzione di lastre per rullatura.
In sostituzione al rimmed steel le industrie svilupparono un nuovo tipo di lega, soprannominata “killed steel”. L’alluminio veniva, infatti, aggiunto all’acciaio, sostituendo il carbonio nella reazione di ossidazione, eliminandolo definitivamente. Inoltre, spesso veniva inserito azoto per rendere l’acciaio ancora più resistente. All’epoca venivano anche utilizzati acciai denominati “acciai ad altissima resistenza”, con alta resistenza a trazione (fino a 600 MPa). Di questa categoria facevano parte anche gli acciai martensitici, ad alto contenuto di carbonio e ottenuti da processi di ricottura, e gli acciai da ricottura di recupero, che venivano laminati a freddo a livelli di sollecitazione molto alti e poi ricotti sotto la temperatura di ricristallizzazione per recuperare la duttilità. Entrambi questi materiali trovarono impiego nel settore automotive come paraurti e raggi, dove non era indispensabile che l’acciaio fosse formabile.
In questo periodo, furono sperimentati per la prima volta nell’industria automobilistica gli acciai bifase, caratterizzati da una microstruttura martensitica o ferritica con isole bainitiche. Questi materiali si ottenevano da processi di ricottura, seguiti da un successivo veloce raffreddamento. Tuttavia, all’epoca questi acciai avevano una bassa capacità di raffreddamento, quindi bassa temprabilità, ed erano difficilmente saldabili. Soltanto 20 anni dopo, con l’avanzamento della tecnologia e delle tecniche metallurgiche, saranno tra i materiali più richiesti nel mercato automotive.
Acciai ancora oggi molto utilizzati dalle industrie sono gli AHSS con aggiunta di niobio, titanio, vanadio e zirconio per affinare i grani, rendendo il materiale più resistente. Essi hanno alta resistenza a snervamento (fino a 550 MPa) e allo stesso tempo alta duttilità. Negli anni ’80, aumentò la richiesta di materiali resistenti con buona integrità per i paraurti e l’impatto sugli alberi motore. Inoltre, gli ingegneri industriali studiarono come migliorare l’efficienza del consumo di carburante, riducendo il peso del veicolo e ridimensionandolo.
Nel 1983 la Corporazione Nazionale Americana degli Acciai aprì a Detroit il primo centro di industrie di acciaio completamente dedite all’automotive. Nel 1984 Pontiac Fiero lanciò un nuovo materiale più duttile e leggero sul mercato: la plastica. Quest’ultima sarà per il mercato dell’acciaio un temibile avversario, perché, oltre ad essere molto leggero, è resistente a corrosione. Nel 1987 ci fu la prima collaborazione tra industria dell’acciaio e industria automobilistica.
A quei tempi, gli acciai più utilizzati nell’automotive erano gli AHSS legati, dotati di alta resistenza e ottima capacità di assorbimento di energia, e gli acciai temprabili, resistenti alle ammaccature esterne delle carrozzerie. Tali materiali migliorarono le prestazioni delle vetture vendute, riducendone il peso. Negli anni ’80, ci fu un notevole sviluppo del mercato americano di acciai, poiché iniziarono collaborazioni con case automobilistiche di paesi di altri continenti come il Giappone, che insediò industrie in Ohio per Honda, in Tennessee per Nissan e in altri stati per Toyota.
Da questo momento, l’industria automotive inizierà a produrre acciai galvanizzati con getti caldi e rivestiti di uno strato elettrolitico. Anche quelli con rivestimenti in zirconio saranno molto richiesti per la loro ottima formabilità e saldabilità. Il ventesimo secolo è stato un periodo di grande innovazione per l’industria automobilistica, caratterizzato da alta competitività e sfide tecnologiche sul mercato. Con il passare dei decenni, è aumentata sempre di più la domanda di carburante, a causa dell’incremento della dimensione dei veicoli, ma sempre rispettando le norme ambientali. Per quanto riguarda invece la sicurezza della vettura, sono state sviluppate diverse prove di impatto con i nuovi materiali.
Gli acciai AHSS, che nel 1960 erano i più utilizzati, si sono rivelati i più performanti anche alla fine degli anni ’90, per la loro formabilità, livello di ritorno elastico e flessibilità delle proprietà meccaniche. Nel ventunesimo secolo, l’industria automobilistica ha migliorato caratteristiche come duttilità e resistenza in materiali come acciai bifase, acciai multifase e acciai trasformati per plasticità indotta.
Descrizione Classificazione In base al tenore di carbonio Il carbonio si presenta esclusivamente sotto forma di cementite o carburo di ferro.
Gli acciai sono leghe sempre plastiche a caldo, cioè fucinabili, a differenza delle ghise. In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in:
extra dolci: carbonio tra lo 0,05% e lo 0,15%; dolci: carbonio tra lo 0,15% e lo 0,25%; semidolci: carbonio tra lo 0,25% e lo 0,40% semiduri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,60%; duri: carbonio tra lo 0,60% e lo 0,70%; durissimi: carbonio tra lo 0,70% e lo 0,80%; extra duri: carbonio tra lo 0,80% e lo 0,85%. Gli acciai dolci sono i più comuni e meno pregiati.
In base ai tenori di altri leganti Sono presenti degli ulteriori elementi alliganti aggiunti per lo più sotto forma di ferroleghe. In base alla composizione chimica gli acciai si possono distinguere in due gruppi: acciai non legati: sono acciai nel quale i tenori degli elementi di lega rientrano nei limiti indicati dal prospetto I della UNI EN 10020; acciai legati: sono acciai per i quali almeno un limite indicato del suddetto prospetto I viene superato. 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%.
Elementi di lega e proprietà dell'acciaio Gli elementi di lega, naturalmente presenti nell'acciaio o aggiunti per conferire caratteristiche specifiche, determinano alcune modifiche delle proprietà chimico/fisiche del materiale, quali ad esempio: Fosforo (massima percentuale tollerata 0,05%) e zolfo (massima percentuale tollerata 0,05%): riducono la tenacità dell'acciaio; tuttavia, lo zolfo può essere inserito volontariamente per migliorare la lavorabilità all'utensile, rendendo il truciolo più friabile e di facile asportazione, usato solitamente in combinazione con il manganese che forma solfuri di manganese (MnS) tondeggianti minimizzando la perdita di tenacità. Idrogeno: favorisce la fragilità, nocivo in tenori superiori a 2 ppm; induce la formazione di fiocchi. Ossigeno: riduce la lavorabilità a caldo; abbassa le caratteristiche meccaniche. Azoto: promuove l'invecchiamento dell'acciaio al carbonio; aumenta la resistenza al pitting negli acciai inossidabili (coefficiente 16 nella formula di calcolo del PREN); aumenta la resistenza meccanica degli acciai inossidabili; stabilizza l'austenite negli acciai inossidabili. Manganese (massima percentuale tollerata 0,8%): agisce come desolforante e disossidante; in alte percentuali aumenta il tasso di incrudimento; stabilizza l'austenite a bassa temperatura. Alluminio: disossidante; affinante del grano. Silicio (massima percentuale tollerata 0,4%): disossidante; aumenta l'elasticità. Titanio e niobio: disossidante; il titanio denitrurante; il niobio nitrurante durante la conversione in A.O.D.: affinante del grano; previene la corrosione intergranulare negli acciai inox. Niobio e tantalio: essenziali negli acciai indurenti per precipitazione: aumentano la resistenza meccanica; aumentano la resistenza a fatica; aumentano la resistenza a corrosione e all'usura. Molibdeno: aumenta la temprabilità e la resistenza a caldo e all'usura, oltre che la durezza a caldo; aumenta la resistenza alla corrosione degli acciai inox, in particolare la resistenza al pitting (coefficiente 3,3 nella formula di calcolo del PREN); aumenta la resistenza meccanica ad alta temperatura; viene utilizzato con concentrazioni notevoli (9% circa) per produrre acciai per utensili. Cromo: aumenta la temprabilità; aumenta la resistenza all'usura e alla corrosione; aumenta la stabilità al rinvenimento; con concentrazioni superiori al 12% è utilizzato negli acciai inossidabili ferritici e martensitici; aumenta la resistenza al "pitting" (Coefficiente 1 nella formula di calcolo del PREN). Nichel: aumenta la resistenza e la durezza dopo la bonifica; aumenta di poco la temprabilità; partecipa alla resistenza alla corrosione dell'acciaio inox, dove raggiunge percentuali molto elevate (25% circa); stabilizza l'austenite a basse temperature. Vanadio: aumenta la resistenza meccanica e la resistenza all'usura. Tungsteno: aumenta la resistenza all'usura e la durezza; è impiegato con tenori che vanno dal 13 al 25% negli acciai rapidi per utensili.