Spiegazione della durezza dell'acciaio legato forgiato, ST 37, anelli forgiati e acciaio inossidabile 416

Cos'è l'acciaio legato forgiato

L'acciaio legato forgiato è acciaio che è stato modellato attraverso l'applicazione di forza di compressione - colpi di martello o pressatura con stampo - a temperature elevate e la cui composizione include aggiunte deliberate di elementi leganti oltre la formula base ferro-carbonio. Le comuni aggiunte alle leghe includono cromo, molibdeno, nichel, vanadio e manganese, ciascuno dei quali contribuisce a miglioramenti specifici delle proprietà meccaniche come resistenza, tenacità, temprabilità, resistenza all'usura o resistenza alla corrosione.

Il processo di forgiatura stesso è importante quanto la chimica della lega. Quando l'acciaio riscaldato viene lavorato sotto forza di compressione, la struttura del grano grezzo, che contiene vuoti, segregazione dendritica e inclusioni allineate in orientamenti casuali, viene scomposta e raffinata. I grani si ricristallizzano in una struttura più fine e uniforme e le linee di flusso del materiale (chiamate anche flusso dei grani) si allineano con la forma della forgiatura. Questa struttura a grani orientati è il principale vantaggio meccanico dell'acciaio legato forgiato rispetto agli equivalenti fusi o lavorati da barra : le parti forgiate resistono alla rottura per fatica, al carico d'urto e alle sollecitazioni nelle direzioni in cui i carichi di servizio sono maggiori.

L'acciaio legato forgiato copre un'ampia gamma di qualità di materiali. Gli acciai bassolegati come AISI 4140 (cromo-molibdeno) e AISI 4340 (nichel-cromo-molibdeno) sono cavalli di battaglia nelle applicazioni automobilistiche, petrolifere e del gas e di macchinari pesanti. Gli acciai per utensili superiore legati, gli acciai per stampi e gli acciai inossidabili vengono prodotti anche come pezzi fucinati quando l'applicazione richiede l'integrità microstrutturale che la sola fusione non può fornire in modo affidabile.

Cos'è l'acciaio ST 37

ST 37 è una designazione di acciaio strutturale dal precedente sistema standard tedesco DIN, dove "ST" indica l'acciaio strutturale e "37" si riferisce alla resistenza alla trazione minima di 370MPa . Il grado è equivalente a S235 secondo l'attuale standard europeo EN 10025 e ampiamente paragonabile ad ASTM A36 nel sistema statunitense, sebbene l'equivalenza precisa dipenda dallo specifico sottogrado e dalle condizioni di trattamento termico.

ST 37 è un acciaio strutturale non legato a basso tenore di carbonio. Il suo contenuto tipico di carbonio è inferiore allo 0,17%, il che gli conferisce una buona saldabilità e formabilità, ma ne limita la resistenza rispetto alle leghe o ai gradi trattati termicamente. Il limite di snervamento è in genere intorno 235MPa e allungamento a rottura intorno al 26%, riflettendo un materiale ottimizzato per duttilità e facilità di fabbricazione piuttosto che per la massima capacità di carico.

Le applicazioni per ST37/S235 riguardano principalmente la fabbricazione strutturale generale: telai di edifici, ponti, strutture di supporto, basi di macchinari e componenti di ingegneria generale dove il carico è moderato e la saldabilità è una priorità. Non è un acciaio temprabile e non viene generalmente utilizzato in applicazioni che richiedono elevata resistenza alla fatica o durezza superficiale. Quando è necessaria una resistenza maggiore, viene sostituita da S355 (ex ST 52) o da qualità di lega come 4140.

Anelli in acciaio forgiato : Processo, tipi e applicazioni

Gli anelli in acciaio forgiato sono componenti anulari prodotti attraverso la laminazione dell'anello, un processo specializzato di forgiatura in cui una billetta di acciaio forgiata e riscaldata viene posizionata su un mandrino e arrotolata progressivamente tra il mandrino e un rullo condotto, riducendo lo spessore della parete e aumentando il diametro pur mantenendo un profilo di sezione trasversale controllato. Il processo può produrre anelli che vanno da pochi centimetri a oltre 9 metri di diametro , a seconda della capacità dell'apparecchiatura.

Il processo di laminazione dell'anello produce un flusso di grano continuo e circonferenziale che segue la geometria dell'anello. Questo orientamento è fondamentale per le prestazioni: le sollecitazioni nei macchinari rotanti, nei recipienti a pressione e nelle piste dei cuscinetti agiscono circonferenzialmente e la struttura dei grani allineati resiste a queste sollecitazioni in modo più efficace di un anello tagliato da una piastra o barra, dove il flusso dei grani scorre in una direzione lineare fissa non correlata alla geometria della parte.

Tipi di anelli in acciaio forgiato

Gli anelli forgiati sono prodotti in due categorie principali di sezione trasversale:

• Anelli piatti (sezione rettangolare): Il tipo più comune, utilizzato come flange, semilavorati per ingranaggi, piste di cuscinetti e anelli strutturali. Dopo la laminazione dell'anello, gli anelli piatti vengono generalmente trattati termicamente e quindi lavorati fino alle dimensioni finali.
• Anelli laminati (sezione profilata): Prodotto utilizzando mandrini sagomati e rulli assiali per creare un profilo quasi netto (flange, gradini, scanalature o rastremazioni) durante il processo di laminazione stesso. La laminazione del contorno riduce la quantità di lavorazione richiesta, minimizza lo spreco di materiale e può migliorare il flusso del grano attraverso la sezione critica del profilo.

Gradi di acciaio comuni per anelli forgiati

La scelta del materiale per un anello in acciaio forgiato dipende dall'ambiente operativo e dai requisiti meccanici:

• Acciai al carbonio (AISI 1045, 1020): Utilizzato per flange di uso generale e anelli strutturali dove non è richiesto un elevato contenuto di lega.
• Acciai legati (AISI 4140, 4340, 8620): Scelte standard per anelli soggetti a sollecitazioni elevate, carichi di fatica o che richiedono tempra completa. Comune nelle apparecchiature per petrolio e gas, miniere e produzione di energia.
• Acciai inossidabili (304, 316, 17-4 PH): Utilizzato dove è richiesta resistenza alla corrosione: lavorazione chimica, offshore, apparecchiature alimentari e farmaceutiche.
• Acciai per utensili e acciai per cuscinetti (52100, H13): Prodotti come anelli forgiati per piste di cuscinetti, componenti di stampi e applicazioni ad alta usura che richiedono profili di durezza specifici.

Dove vengono utilizzati anelli in acciaio forgiato

Gli anelli in acciaio forgiato compaiono praticamente in tutti i settori dell'industria pesante in cui sono richiesti componenti anulari rotanti, contenenti pressione o portanti. Le principali aree di applicazione includono:

• Turbine eoliche: Flange della torre, flange dell'albero principale e anelli dei cuscinetti di beccheggio e imbardata. Una singola grande turbina eolica può contenere più di 20 flange ad anello forgiate. I requisiti di resistenza alla fatica per questi componenti, progettati per 20 anni di carico ciclico, rendono il materiale forgiato la specifica standard.
• Petrolio e gas: Flange della testa pozzo, ugelli per recipienti a pressione, anelli di connettori sottomarini e flange di tubazioni. I valori di pressione e la tenacità del materiale a basse temperature (per applicazioni artiche o in acque profonde) guidano la selezione di componenti forgiati su fusione.
• Aerospaziale: Involucri di motori, anelli di turbine e telai strutturali. Gli anelli in superlega di titanio e nichel vengono anche laminati per i componenti della sezione calda dei motori a reazione, seguendo gli stessi principi di processo dell'acciaio.
• Miniere e macchinari pesanti: Grezzi per ralle rotanti, componenti per frantoi e grezzi per ingranaggi di grandi dimensioni per escavatori e mulini.
• Energia nucleare: Anelli dei recipienti a pressione del reattore e componenti del generatore di vapore, dove la tracciabilità dei materiali, i test non distruttivi e le procedure di forgiatura controllata sono obbligatori.

Durezza dell'acciaio inossidabile 416: proprietà e considerazioni pratiche

L'AISI 416 è un acciaio inossidabile martensitico a lavorazione libera, il più lavorabile di tutti i gradi inossidabili, ottenuto attraverso l'aggiunta di zolfo (0,15% minimo) alla composizione martensitica standard di cromo al 12-13%. Lo zolfo forma inclusioni di solfuro di manganese che agiscono come rompitruciolo durante la lavorazione, riducendo drasticamente l'usura dell'utensile e i tempi ciclo rispetto a qualità come 410 o 420. Il compromesso è una ridotta resistenza alla corrosione e una tenacità leggermente inferiore rispetto alle qualità martensitiche senza zolfo.

Durezza allo stato ricotto

Allo stato ricotto (ammorbidito), l'acciaio inossidabile 416 ha una tipica durezza Brinell di 185–200 HB , una resistenza alla trazione di circa 515 MPa e una resistenza allo snervamento di circa 275 MPa. Questa è la condizione in cui il materiale viene più comunemente fornito e lavorato: l'aggiunta di zolfo lo fa tagliare liberamente allo stato ricotto e la maggior parte dei componenti di precisione vengono lavorati prima che venga applicato qualsiasi trattamento termico.

Durezza dopo il trattamento termico

L'acciaio inossidabile 416 è un grado temprabile. Attraverso l'austenitizzazione a 925–1.010°C seguita da tempra e rinvenimento in olio, il materiale può essere portato a livelli di durezza sostanzialmente più elevati:

• Condizione equivalente a H900 (bassa temperatura di rinvenimento, ~175°C): Raggiunge una durezza fino a 38–42 HRC (circa 370–400 HB), resistenza alla trazione superiore a 1.200 MPa.
• Tempra media (400–500°C): Durezza di circa 28–35 HRC , con tenacità migliorata e migliore resistenza alla corrosione rispetto alla condizione di elevata durezza.
• Temperatura di rinvenimento elevata (600–650°C): La durezza scende a 22–26 HRC , massimizzando la duttilità e la tenacità a scapito della resistenza. Utilizzato dove la resistenza agli urti è più importante della durezza.

La selezione della temperatura di rinvenimento è fondamentale perché il 416, come tutti gli acciai inossidabili martensitici, è suscettibile all'infragilimento da rinvenimento nell'intervallo 425–595°C. Il rinvenimento all'interno di questa finestra produce un materiale con scarsa resistenza agli urti nonostante letture di durezza accettabili. Questo intervallo dovrebbe essere evitato ; il rinvenimento sia inferiore a 200°C che superiore a 600°C produce prestazioni meccaniche complessive migliori.

Applicazioni tipiche dell'acciaio inossidabile 416

La combinazione di lavorabilità e temprabilità rende l'acciaio inossidabile 416 la scelta standard per componenti lavorati con precisione in grandi volumi che richiedono una moderata resistenza alla corrosione e un livello di durezza definito dopo il trattamento termico:

• Componenti di armi da fuoco: Gruppi di attivazione, bulloni e componenti di azione in cui sono richieste contemporaneamente precisione dimensionale, durezza e resistenza alla corrosione e il volume di lavorazione è elevato.
• Viti, dadi e bulloni: Elementi di fissaggio che richiedono una resistenza alla corrosione superiore all'acciaio al carbonio ma prodotti su macchine a vite automatiche dove la lavorabilità migliorata con zolfo fornisce efficienza produttiva.
• Alberi della pompa e steli delle valvole: Applicazioni che richiedono durezza superficiale, precisione dimensionale e resistenza moderata ai mezzi leggermente corrosivi.
• Ingranaggi e boccole: Dove sono necessarie resistenza all'usura e durezza in ambienti non abbastanza severi da richiedere gradi più resistenti alla corrosione come l'acciaio inossidabile 316 o duplex.

Una limitazione importante: le aggiunte di zolfo del 416 ne riducono la resistenza alla corrosione rispetto ai gradi martensitici non lavorabili. Non deve essere specificato per l'esposizione ad ambienti contenenti cloruri, acidi o immersione prolungata in acqua senza rivestimento protettivo. Laddove è necessaria una maggiore resistenza alla corrosione in un grado inossidabile a lavorazione libera, il 303 (austenitico) è l'alternativa comune, sebbene non possa essere indurito mediante trattamento termico.