R-innoviamo

Le tipologie dei moderni acciai al carbonio sono un insieme variegato, che tende a sfuggire a una semplice classificazione. Ogni categoria è spesso stata sviluppata per soddisfare delle specifiche necessità e mediante l’adozione di particolari tecniche volte ad aumentare la resistenza e/o la deformabilità.
La classificazione sintetica che viene proposta non ha lo scopo di esaurire la tematica, ma se il lettore avrà il coraggio di armarsi di un poco di pazienza e riuscire a terminare la lettura di questa rubrica (senza annoiarsi troppo o lasciarsi vincere dal sonno), potrà trovare un quadro delle linee guida su cui stanno lavorando imprese siderurgiche che si proiettano sui mercati internazionali. Purtroppo, molte delle tipologie di acciaio presentate di seguito non sono attualmente prodotte in Italia, ma proprio per questo qualche lettore potrebbe cominciare a sviluppare nuove idee che sono alla base di qualsiasi innovazione che coinvolga l’intera filiera.

Acciai a basso carbonio ed alta deformabilità

Spesso detti anche acciai ferritici dolci (mild steel), in quanto sono caratterizzati quasi completamente dalla presenza della sola ferrite. L’obiettivo fondamentale dei produttori è di garantire la massimizzazione della formabilità plastica del materiale e questo comporta non solo la minimizzazione della concentrazione di carbonio (<0.04%) sciolto nella matrice ferritica, ma anche il corretto controllo e la diminuzione della concentrazione di azoto, silicio e fosforo. Negli acciai IF (Interstitial Free) la rimozione di carbonio ed azoto dalla matrice metallica viene assicurata anche attraverso l’aggiunta controllata di titanio, che si combina con il carbonio e l’azoto e non li lascia disciolti nella matrice metallica. I processi basati sul combinato altoforno-convertitore sono avvantaggiati nella produzione di questi acciai, poiché il processo di decarburazione al convertitore consente di diminuire la concentrazione di azoto senza l’adozione di dispendiosi processi di trattamento sotto-vuoto. Per ovviare a questo problema, negli acciai prodotti da forno elettrico e per prodotti lunghi, al fine di rimuovere l’azoto si ricorre frequentemente all’utilizzo del boro per limitare l’effetto nocivo dell’azoto, senza correre il rischio che si formino grossolane inclusioni non metalliche di nitruro di titanio. Questi acciai sono prodotti dalle imprese siderurgiche nazionali e sono spesso rivestiti mediante processi di zincatura, alluminatura ecc.

Acciai ad alta resistenza rafforzati per precipitazione

Questi acciai sono induriti attraverso la formazione di precipitati ceramici (carbo-nitruri) a base di titanio, niobio, vanadio ed alluminio. La concentrazione di questi elementi chimici non supera mai lo 0.04% e per questa ragione gli elementi chimici indicati prendono il nome di micro-alliganti, così che tale categoria di acciai è definita sotto la sigla HSLA (High Strength Low Alloy). I precipitati ceramici che si formano devono essere di dimensione nanometrica (<40nm), per aumentare la resistenza senza compromettere la tenacità del materiale. Corretti trattamenti di laminazione ed adeguate temperature di avvolgimento consentono di contenere la dimensione dei precipitati ceramici al di sotto delle dimensione critiche e questo è un aspetto qualitativo interessante, che distingue l’abilità dei diversi produttori. Infatti, quando tali precipitati si mantengono di piccola dimensione, contribuiscono non solo ad aumentare la resistenza, ma anche ad affinare il grano e questa situazione migliora la tenacità degli acciai e la loro resistenza agli urti. Esiste un’evoluzione di questi acciai (BH) che sfrutta l’effetto di bake hardenability (letteralmente sarebbe “l’indurimento da cottura”), dove acciai alligati con manganese e microalliganti vengono riscaldati a bassa temperatura ed in seguito a questo trattamento, spesso svolto su linee di verniciatura, si induriscono prima di entrare in esercizio.

Acciai rafforzati mediante trattamento termico

A questa categoria appartengono gli acciai DP (Dual Phase), gli acciai FB (Ferritico-Bainitici), gli acciai martensitici e gli acciai TRIP (Transformation Induced Plasticity). In questi acciai si adottano dei trattamenti termici in linea per indurre la presenza di bainite o di martensite, che sono più dure e resistenti rispetto alla ferrite. La coesistenza all’interno dello stesso acciaio di costituenti strutturali duri (bainite e martensite) e di ferrite (più duttile e deformabile) consente di abbinare in questi acciai proprietà di resistenza e deformabilità. In questi acciai e specialmente in quelli a struttura bainitica si è ricorsi al boro per rendere più agevole e controllato il processo di trattamento termico in linea. Gli acciai TRIP costituiscono l’evoluzione più spinta in questa categoria di acciai, perché oltre alla presenza di ferrite-bainite al loro interno si mantiene una frazione di austenite residua, che è molto duttile, tenace e facilmente deformabile; attraverso questa combinazione di proprietà l’acciaio è facilmente deformabile nonostante presenti caratteristiche resistenziali particolarmente elevate.

Acciai non inossidabili a matrice completamente austenitica

Questi acciai possiedono una matrice metallica completamente austenitica, dato che tale costituente strutturale risulta più tenace e deformabile rispetto ad altri costituenti strutturali presenti nell’acciaio. Il rafforzamento di questi acciai avviene in due modi: per mezzo della deformazione plastica a freddo ed mediante dei processi di invecchiamento controllato (con il termine invecchiamento si intende un riscaldamento a bassa temperatura in grado di portare alla formazione di costituenti duri, che rafforzano l’acciaio). Per stabilizzare la presenza di austenite i produttori inseriscono intenzionalmente elevate concentrazioni di manganese (si può arrivare sino al 15%), di nickel e di azoto. Questi acciai ricadono nella categoria degli acciai AHSS (Advanced High Strength Steels) e ad essi appartengono anche gli acciai TWIP o TRIP-TWIP. La proprietà saliente di questi acciai risiede nella capacità di assorbire elevate quantità di energia durante gli urti e deformazioni di elevata entità. Una tale assorbimento di energia è conseguenza della trasformazione dell’austenite in un particolare tipo di martensite, diversa dalla martensite indotta coi trattamenti termici e per questo definita martensite meccanica, perché ottenuta mediante deformazione plastica a freddo. Recentemente in Sud Corea è stato sviluppato un acciaio al 15% di manganese, 10% di alluminio e 5% di nickel che viene preventivamente indurito mediante invecchiamento prima dello stampaggio a freddo e che grazie alle proprietà resistenziali che è in grado di raggiungere potrebbe arrivare a sostituire le leghe di titanio in impieghi aerospaziali ed altre applicazioni in cui non siano richieste elevate resistenze alla corrosione; un tale acciaio, nonostante l’elevata concentrazione di nickel ed alluminio, presenta costi che sono comunque dieci volte inferiori a quelli delle leghe di titanio.

Acciai al rame

Il rame è da considerarsi in genere un elemento chimico nocivo negli acciai, soprattutto se associato allo stagno. D’altra parte, nella seconda parte dagli anni ’30 del XX secolo si è assistito ad un utilizzo crescente come elemento chimico aggiunto allo scopo di stabilizzare lo strato di ossido che si forma al di sopra degli acciai al carbonio, qualora vengano sottoposti all’azione di agenti corrosivi. Gli acciai al rame resistenti alla corrosione hanno preso nell’uso comune il nome commerciale con cui furono lanciati dalla United States Steel Corporation: acciai Corten e i guard-rail dell’autostrada del Brennero o le travi dei moderni viadotti dall’aspetto rossastro sono realizzati in questa tipologia di acciaio. Questa classe di acciai resistente alla corrosione utilizza il rame (in concentrazioni comprese tra 0.5-1.5%) come elemento chimico indurente e come stabilizzante per la formazione dello strato ossidato, che tende a rimanere compatto sulla loro superficie e a non sgretolarsi, al contrario di quanto avviene con gli strati ossidati comunemente definiti “ruggine”.

Negli ultimi quindici anni si è però fatto crescente uso anche di acciai alligati con rame e nickel (es. A707L5), soprattutto utilizzati per la produzione di componenti forgiati e fucinati, in cui il rame viene fatto precipitare come composto intermetallico durante un processo di invecchiamento successivo alla tempra, al fine di aumentare la resistenza degli acciai.

Una breve tabella di riassunto, anche se in parte limitativa, può essere utile, per comprendere quali siano i campi di applicazione delle diverse e moderne tipologie di acciaio.

Tipologia di acciaio	Resistenza allo snervamento	Caratteristiche, impieghi principali, cenni sugli aspetti produttivi
Acciaio a Basso Carbonio (contenenti piccole frazioni di carburi, nitruri, solfuri)
AK (Aluminium Killed) Mild Steel	<270MPa	Sono acciai destinati ad operazioni di stampaggio, in cui l’alligazione con alluminio non solo serve per disossidare l’acciaio, ma anche per formare dei composti di nitruro di alluminio di dimensione nanometrica. La precipitazione di questi composti ceramici, associata a trattamenti termici di ricottura statici o in continuo serve ad ottenere dei grani orientati in modo opportuno a garantire uno stampaggio adeguato, senza che si manifestino fenomeni di assottigliamento localizzato del materiale. La concentrazione di C di questi acciai non supera lo 0.06% e di solito si colloca anche ben al di sotto dello 0.04%. Garantiscono allungamenti alla frattura pari al 35%-40%.
IF (Interstitial Free)	<270MPa	Sono un’evoluzione degli acciai AK, garantiscono una deformazione omogenea, sono caratterizzati da allungamenti alla frattura pari al 40-50%, quindi sono adatti per stampaggi ancor più profondi rispetto agli acciai AK (mild steels). Tale obiettivo viene raggiunto attraverso la rimozione del carbonio e dell’azoto contenuti e disciolti nella matrice metallica. Oltre all’alluminio in questi acciai si aggiunge anche il titanio e a volte il niobio per liberare la matrice metallica dalla presenza di carbonio ed azoto.
Acciai Deformabili ad Alta Resistenza
SSH (Solid Solution Hardened)	<400MPa & >220MPa	L’azione di rafforzamento viene realizzata mediante l’aggiunta di fosforo (ci si situa in concentrazioni comprese tra 800ppm e 1200ppm), che però può comportare anche alcuni effetti indesiderati, quali il possibile incremento della fragilità e l’abbassamento della resistenza all’urto, soprattutto qualora la concentrazione di carbonio sia particolarmente bassa. Gli acciai SSH sono spesso rivestiti attraverso processi di zincatura a caldo. Questa categoria di acciai è descritta nella normativa EN 10268:2006 e in ASTM A 1008.
HSLA (High Strength Low Alloyed)	<520MPa	Vengono alligati con Ti, Nb, V e Al per formare composti ceramici (carbo-nitruri) che precipitano nel’acciaio. Sono descritti nella normativa EN 10142-2:1995 e in ASTM A 1011 ed ASTM A 1008.
BH (Bake Hardenable)	<360MPa & >180MPa	Come negli acciai HSLA il processo di rafforzamento è affidato alla formazione di composti ceramici, che si formano durante un processo di invecchiamento stimolato dal riscaldamento dell’acciaio. Attualmente, se ne fa largo impiego nell’industria automobilistica, dove la formazione dei carbo-nitruri è stimolata dal riscaldamento a cui l’acciaio viene sottoposto durante i processi di verniciatura. L’abilità nella produzione di questi acciai risiede nel centrare una composizione chimica e un ciclo di laminazione a caldo che consenta di non far formare i composti ceramici durante il processo di laminazione, raffreddamento e stoccaggio, ma di concentrare la formazione di questi elementi durante il successivo invecchiamento (che avviene di solito sulle linee di verniciatura). Questa categoria di acciai è contemplata nella normativa EN 10268:2006 e in ASTM A 1008.
Acciai a Microstrutture Complesse
DP (Dual Phase)	<800MPa & >250MPa	Vengono trattati termicamente in linea attraverso un trattamento di tempra intercritica, al termine del quale l’acciaio riesce a combinare l’elevata resistenza della martensite con la duttilità e la capacità di deformarsi della ferrite. La produzione di questi tipi di acciai necessita di un processo con una messa a una messa punto ottimale dei parametri di trattamento termico, per centrare le caratteristiche di resistenza e deformabilità richieste. Vengono alligati con uno stretto controllo delle concentrazioni di C, Mn, Si, Cr e Mo. Presentano una deformazione plastica omogenea ed anche proprietà di bake hardenability, ossia di un rafforzamento tipico degli acciai BH, poiché se riscaldati a basse temperature (da 170°C a 210°C) sono interessati da fenomeni di precipitazione dei carburi. Gli acciai DP caratterizzati da carboni equivalenti non elevati (C_eq<0.4-0.45%) sono facilmente saldabili e grazie alla combinazione di proprietà, che li caratterizza, sono utilizzati per la produzione di contenitori, container, componenti strutturali dei mezzi di trasporto, cassoni ecc.. L’allungamento percentuale alla frattura si situa tra il 12% ed il 22%. Sono i concorrenti diretti degli acciai TRIP, ma rispetto a questi ultimi offrono maggiori garanzie di stabilità microstrutturale. Proprietà e caratteristiche di questi acciai sono descritte nella norma EN 10336:2007.
FB (Ferritici-Bainitici) e bainitici	>700MPa	Sono acciai in cui l’indurimento avviene per formazione della bainite all’interno della matrice metallica a seguito di opportuni trattamenti termici. La bainite ha resistenze superiori rispetto a quelle della ferrite e inferiori rispetto a quelle della martensite, ma se confrontata con quest’ultima risulta tenace e deformabile se nella bainite non precipitano carburi. Proprio per limitare la precipitazione di carburi, questi acciai vengono alligati con Mo e B (soprattutto con quest’ultimo in forza del suo basso costo). Intensi studi sono stati svolti in anni recenti per stabilizzare acciai bainitici destinati alla produzione di componenti tubolari, al fine di ridurne il peso.
CMnB	>800MPa & <1000MPa	Sono progettati per essere deformati a caldo in linee di stampaggio e dopo la deformazione plastica vengono raffreddati rapidamente, così da presentare una microstruttura martensitica al termine del raffreddamento. Prima della deformazione plastica questi acciai hanno un carico di snervamento di 300-400MPa ed un allungamento pari al 15%, mentre dopo la deformazione a caldo ed un rapido raffreddamento la resistenza sale sino a 1000MPa e l’allungamento alla rottura non supera il 5%. Questi acciai sono utilizzati per componenti anti-intrusione nel settore automobilistico e visto il ciclo di produzione non possono essere zincati o alluminati a caldo prima della stampaggio a caldo. Il più tipico di questa classe di acciai è il 22MnB5.
Martensitici (QT e QP)	>900MPa & <1350MPa	Si dividono in due categorie: Quench and Temper (QT) e Quench and Partition (QP). Gli acciai QT sono degli acciai che vengono trattati su una linea produttiva dove vengono temprati (per formare la martensite) e rinvenuti (al fine di diminuire la fragilità della martensite ed aumentare la formabilità dell’acciaio). Si tratta a tutti gli effetti di acciai “bonificati”. Gli acciai QP sono anch’essi temprati ma senza formare completamente la martensite. Infatti, il processo di raffreddamento tipico della tempra viene arrestato intorno a 230-250°C, l’acciaio viene stabilizzato a questa temperatura e poi nuovamente riscaldato tra 340 e 380°C in modo che l’austenite che non si è ancora trasformata in martensite non si decomponga e venga stabilizzata. In questo modo si associano le proprietà di durezza della martensite con la deformabilità e tenacità tipiche dell’austenite. Gli acciai QP vengono alligati sino al 1.5% di silicio per evitare la formazione di carburi, che potrebbero infragilire l’acciaio.
TRIP	>430MPa & < 700MPa	Sono acciai che presentano una microstruttura formata da ferrite, bainite e austenite residua. Questi acciai sono i maggiori concorrenti degli acciai DP. La presenza di austenite residua consente di raggiungere elevate deformabilità, con allungamenti alla frattura compresi tra il 15% ed il 35%, quindi appaiono maggiormente deformabili rispetto agli acciai DP, ma l’aspetto più critico è associato ad una corretta stabilizzazione proprio dell’austenite residua all’interno della matrice. Il ruolo giocato da questo costituente strutturale è finalizzato a garantire una buona deformabilità ed il raggiungimento di un’elevata resistenza meccanica, poiché durante l’applicazione dello sforzo e la deformazione l’austenite si trasforma in martensite. Le caratteristiche di questi acciai sono descritte nella norma EN10338 (non rivestiti) e nella norma EN 10336:2007.
Acciai Avanzati ad Alta Resistenza (AHSS-Advanced High Strength Steels)
TWIP (Transformation Induced Plasticity /Twinning Plasticity) HSS/Triplex	<600MPa	Sono acciai ad alto contenuto di Mn (>10%) e con matrice completamente austenitica. Dopo la deformazione plastica si possono raggiungere carichi di snervamento superiori a 1000MPa. L’elevata formabilità è associata alla facile attivazione degli scorrimenti plastici all’interno dei grani dell’austenite. I sistemi di scorrimento che sia attivano frantumano il grano austenitico ed interferiscono in misura via via maggiore all’aumentare della deformazione, così che la resistenza del materiale aumenta progressivamente anche perché ad un certo punto l’austenite inizia a trasformarsi in martensite (come negli acciai TRIP). Questi meccanismi sono stati sfruttati decenni addietro anche per la realizzazione degli acciai per corazze e casseforti, ma recenti evoluzioni ne stanno rendendo interessante lo sviluppo anche per prodotti piani e lunghi in quanto possono garantire sia elevata resistenza che elevata tenacità. Basti pensare che la recente evoluzione degli acciai HSS (alligati anche con 10%Al sia per aumentare la resistenza che per alleggerire l’acciaio) ha portato al raggiungimento di resistenze pari a 1200MPa combinate con allungamenti residui ancora intorno al 25%-30%. Tali proprietà aprono la possibilità di sostituire in diverse applicazione le leghe di titanio con questi acciai che comportano costi assai inferiori.