Di cosa è fatto l’acciaio? La risposta breve è: ferro e carbonio. Quella completa apre un mondo. L’acciaio è una lega metallica composta per oltre il 95% da ferro, ma sono gli elementi restanti a determinarne le caratteristiche.
Comprendere la composizione dell’acciaio significa capire perché un S355 si comporta diversamente da un 42CrMo4, perché un AISI 304 resiste alla corrosione mentre un C40 no e come interpretare una designazione per scegliere il grado più adatto al proprio componente.
Per definizione, l’acciaio è una lega ferro-carbonio con un contenuto di carbonio compreso tra circa lo 0,02% e il 2,1% in peso. Sotto lo 0,02% si parla di ferro tecnicamente puro; oltre il 2,1% si entra nel campo delle ghise, caratterizzate da proprietà e comportamenti molto diversi.
Il carbonio è l’elemento che più di ogni altro influenza le proprietà dell’acciaio:
• aumenta durezza e resistenza a trazione: un acciaio con lo 0,40% di C, come il C40, ha un carico di rottura quasi doppio rispetto a uno con lo 0,10% di C;
• riduce duttilità e saldabilità: più carbonio significa maggiore rischio di cricche a freddo durante la saldatura;
• rende possibile il trattamento termico: solo con una quantità sufficiente di carbonio l’acciaio può essere temprato, ottenendo una struttura martensitica ad alta durezza.
Il ferro costituisce la matrice cristallina: a temperatura ambiente si presenta in fase ferritica (cubica a corpo centrato, duttile) oppure, dopo tempra, in fase martensitica (dura e resistente). Le trasformazioni di fase dell’acciaio, descritte dal diagramma ferro-carbonio, sono alla base di tutti i trattamenti termici.
Il ferro puro è un metallo relativamente morbido (carico di rottura ~250 MPa) e poco utilizzabile strutturalmente. L’acciaio è ferro con un’aggiunta controllata di carbonio, compresa tra lo 0,02% e il 2,1%, che ne aumenta sensibilmente resistenza, durezza e trattabilità termica. Nella pratica industriale, il “ferro” venduto in commercio è quasi sempre un acciaio dolce a basso tenore di carbonio.
Oltre al carbonio, nell’acciaio possono essere aggiunti numerosi elementi in quantità controllate per modificarne proprietà specifiche. Ognuno svolge una funzione precisa.
Il cromo è l’elemento che distingue gli acciai inossidabili dagli altri: con un contenuto pari o superiore al 10,5%, l’acciaio forma sulla superficie un film passivo di ossido di cromo che lo protegge dalla corrosione. Negli acciai da bonifica, in percentuali più basse (0,5-2%), migliora la temprabilità e la resistenza all’usura.
Il nichel stabilizza la fase austenitica a temperatura ambiente, dando origine agli acciai inossidabili austenitici della serie AISI 300, caratterizzati da eccellente resistenza alla corrosione, tenacità alle basse temperature e amagneticità. Negli acciai da bonifica, come il 39NiCrMo3, migliora tenacità e temprabilità.
Il molibdeno aumenta la resistenza alla corrosione per vaiolatura negli acciai inox, rappresentando la principale differenza tra AISI 304 e 316. Migliora inoltre la resistenza alle alte temperature e la temprabilità degli acciai da costruzione.
Presente in quasi tutti gli acciai in percentuali comprese tra lo 0,3% e l’1,5%, il manganese migliora la temprabilità, contrasta gli effetti negativi dello zolfo formando solfuri di manganese al posto dei fragili solfuri di ferro e aumenta la resistenza meccanica senza ridurre eccessivamente la duttilità.
Il silicio è un disossidante utilizzato in fonderia e un elemento rafforzante della ferrite. In percentuali elevate, comprese tra l’1% e il 3%, aumenta sensibilmente il limite elastico ed è quindi alla base degli acciai per molle. Migliora anche la resistenza all’ossidazione ad alta temperatura.
Il vanadio affina il grano e forma carburi molto duri. Anche in piccole quantità, tra lo 0,1% e lo 0,3%, migliora sensibilmente resistenza e tenacità. È presente negli acciai per utensili e in molti acciai da bonifica ad alte prestazioni.
Il tungsteno forma carburi stabili alle alte temperature, essenziali negli acciai rapidi per utensili da taglio. Il cobalto contribuisce a mantenere la durezza a caldo. Insieme caratterizzano gli acciai rapidi HSS impiegati nelle lavorazioni meccaniche.
L’azoto rafforza l’austenite ed è utilizzato negli acciai inox duplex e superaustenitici per aumentare la resistenza meccanica e quella alla corrosione per vaiolatura, sostituendo in parte il nichel.
Generalmente considerati impurità, zolfo e fosforo sono mantenuti a livelli molto bassi nella maggior parte degli acciai. Lo zolfo può essere aggiunto intenzionalmente, in percentuali comprese tra lo 0,15% e lo 0,35%, negli acciai da lavorazione automatica per migliorarne la truciolabilità, accettando però una riduzione della duttilità. Il fosforo è quasi sempre indesiderato perché rende l’acciaio più fragile.
La composizione chimica è il primo criterio utilizzato per classificare gli acciai. Le famiglie principali sono cinque.
Contengono principalmente ferro e carbonio, con piccole quantità di manganese, silicio e impurità. Si distinguono in base al tenore di carbonio:
Contengono dallo 0,25% allo 0,50% di carbonio e quantità moderate di cromo, nichel e molibdeno, generalmente inferiori al 5% per ciascun elemento. Progettati per essere temprati e rinvenuti, raggiungono resistenze elevate mantenendo una buona tenacità. Tra i più comuni figurano il 42CrMo4, il 39NiCrMo3 e il 34CrNiMo6.
Contengono almeno il 10,5% di cromo e si dividono in quattro sottofamiglie in base alla microstruttura.
austenitici (AISI 304, 316, 321): contengono cromo e nichel, sono generalmente amagnetici, molto duttili e resistenti alla corrosione;
ferritici (AISI 430): contengono soprattutto cromo e poco o nessun nichel, sono magnetici e adatti ad ambienti moderatamente aggressivi;
martensitici (AISI 410, 420, 440C): presentano cromo e un elevato tenore di carbonio, sono temprabili e utilizzati per lame, valvole e componenti resistenti all’usura;
duplex (SAF 2205, 2507): hanno una struttura mista di austenite e ferrite, con elevata resistenza meccanica e alla corrosione, e sono impiegati nei settori chimico e oil & gas.
Sono caratterizzati da un elevato contenuto di carbonio e di elementi formatori di carburi, come cromo, tungsteno, molibdeno e vanadio. Progettati per resistere all’usura, al calore e alla deformazione in condizioni estreme, comprendono gli acciai rapidi HSS, quelli per lavorazioni a freddo, come l’X210Cr12, e quelli per lavorazioni a caldo, come l’X40CrMoV5-1.
Contengono piccole aggiunte di vanadio, niobio o titanio, generalmente inferiori allo 0,1%, che affinano il grano e migliorano resistenza e tenacità anche senza trattamento termico. Sono utilizzati nelle strutture saldate, nelle condotte ad alta pressione e nel settore automobilistico.
La designazione descrive la composizione dell’acciaio. Sul mercato coesistono due sistemi.
Sistema europeo (EN 10027): la sigla indica gli elementi di lega e il relativo tenore. Esempio: 42CrMo4 → 0,42% di C, cromo come principale elemento di lega e molibdeno; il numero finale esprime il tenore secondo i fattori previsti dalla norma. X5CrNi18-10 (AISI 304) → 0,05% di C, 18% di Cr e 10% di Ni.
Sistema americano (AISI/SAE/UNS): utilizza codici numerici. Le serie 1xxx identificano gli acciai al carbonio, le 41xx gli acciai Cr-Mo e le 43xx i Ni-Cr-Mo. Gli inox seguono la classificazione AISI a tre cifre, come 304, 316 e 430.
Per il progettista, la designazione consente di risalire alla scheda tecnica del grado: composizione garantita, proprietà meccaniche, trattamenti applicabili, saldabilità e norme di prodotto.
L'acciaio è il materiale più lavorato al mondo per asportazione di truciolo. Nella produzione on-demand tramite lavorazione CNC, i gradi più richiesti sono:
Il materiale grezzo viene fornito sotto forma di barra tonda, barra piatta, lastra o blocco, con certificato EN 10204 3.1 che ne attesta composizione e proprietà meccaniche. Weerg lavora questi acciai su centri CNC a 5 assi, trasformandoli in componenti finiti con tolleranze strette e finitura superficiale controllata.
L’acciaio è composto da ferro e carbonio, ma sono gli elementi di lega a definirne la vera identità: il cromo lo rende inossidabile, il nichel ne stabilizza la struttura austenitica, il molibdeno lo protegge dal pitting e il vanadio ne affina il grano. Per progettisti e tecnici, conoscere la composizione significa saper leggere la designazione, comprendere il materiale, scegliere il grado più adatto e dialogare con fornitori e laboratori attraverso un linguaggio condiviso.
Nella produzione on demand, l’acciaio resta protagonista della lavorazione CNC: dal S355 strutturale al 42CrMo4 bonificato, dall’AISI 304 per il settore alimentare all’AISI 316 per applicazioni marine, ogni grado parte da materiale grezzo certificato e diventa in pochi giorni un componente finito.
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