L’acciaio è uno dei materiali più versatili e diffusi, classificato in diversi modi in base alla sua composizione chimica, alle sue proprietà meccaniche ed al suo utilizzo finale. Esistono infatti diversi tipi di acciaio che, pur senza accorgercene, invadono la nostra quotidianità personale e professionale. Per farci un’idea delle numerose tipologie di acciaio presenti sul mercato, basti pensare che è acciaio il materiale utilizzato per comporre parti di macchinari, di carrozzerie, strutture per la costruzione di edifici fino alle semplici posate utilizzate tutti i giorni in casa.
In relazione alla componente meccanica e fisica, è possibile classificare l’acciaio in diverse categorie. Conoscere le caratteristiche di ogni classe significa scegliere il prodotto migliore ed applicarlo nel modo più corretto. Tali nozioni sono fondamentali nella produzione di viti, bulloni ed elementi di fissaggio poiché, proprio l’acciaio, è tra i materiali più richiesti ed utilizzati.
Composizione e Produzione dell'Acciaio
Il termine acciaio indica, generalmente, una lega composta da due elementi principali: il ferro ed il carbonio. Il ferro (Fe) è un elemento metallico mentre il carbonio (C) è l’elemento legante principale all’interno delle leghe. Ferro e carbonio non sono gli unici due elementi che caratterizzano l’acciaio. Sono, invece, definiti leghe ferro-carbonio gli acciai con tenore di carbonio fino all’1,9% e le ghise (con tenore di carbonio superiore all’1,9%). Quando si utilizza il termine “ferroleghe”, invece, ci si riferisce a leghe di ferro particolari, che non hanno impiego autonomo ma vengono preparate per essere usate nella produzione di acciai e ghise speciali.
Produzione dell'Acciaio: Ieri e Oggi
Ripercorrendo la storia della produzione di acciaio, il primo forno siderurgico risale probabilmente al XIV secolo, periodo durante il quale veniva scavata una buca a ridosso di una parete rocciosa. In questa buca, veniva effettuata la combustione del carbone e ci si riparava mediante una lastra di pietra. La tipologia di forno siderurgico più antica corrisponde a una semplice buca scavata a ridosso di una parete rocciosa. Successivamente vennero studiati sistemi per ottenere metalli di qualità superiore. Oggi, la maggior parte della produzione avviene nei grandi impianti siderurgici.
Quando l’acciaio viene prodotto con altoforno, si lavorano diverse materie prime come minerale ferroso, coke e fondente. Queste vengono mescolate e fuse per ottenere separatamente ghisa ed altri elementi secondari. A questo punto, si aggiungeranno elementi come rottame ferroso o altri, per ottenere un acciaio dalle caratteristiche desiderate. Successivamente, l’acciaio viene tagliato in grossi blocchi, noti anche come blumi o bramme.
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Nel secondo caso invece, quello in cui il ciclo di produzione avviene con forno elettrico, gli step di lavorazione sono inferiori. Infatti, il rottame ferroso viene fuso insieme ad altri elementi per ottenere dei semilavorati.
Tipologie di Acciaio
Esistono diverse tipologie di acciaio, ognuna con caratteristiche e proprietà specifiche:
- Acciai al carbonio: Rappresentano il 90% della produzione totale di tale metallo. Questo acciaio è infatti ampiamente diffuso per le sue caratteristiche legate alla facilità di lavorazione ma, al tempo stesso, risulta essere un materiale altamente soggetto alla corrosione e sensibile alle alte e basse temperature.
- Acciai legati: Al contrario di quelli al carbonio, gli acciai legati contengono elementi leganti come manganese, silicio, nichel, cromo, rame e alluminio. Queste sostanze sono aggiunte in percentuali specifiche a seconda delle caratteristiche chimiche che si vogliono conferire al prodotto finale.
- Acciai per utensili: Come gli acciai legati, anche gli acciai per utensili contengono altri elementi al loro interno. In particolare, è possibile riscontrare la presenza di tungsteno, molibdeno, cobalto e vanadio. Le quantità sono variabili e dipendono dalla necessità di aumentare la resistenza al calore e la durabilità del prodotto finale. In questo modo, tali acciai sono ideali per lavorazioni in cui sono previste perforazioni e tagli.
- Acciaio inox: Noto anche con il nome di inossidabile, si tratta di un materiale altamente resistente all’ossidazione, quindi di un acciaio che non arrugginisce, grazie alla presenza di cromo nella lega (tra il 10% ed il 20%). La gran parte dei prodotti di viteria e bulloneria presenti sul mercato, sono fabbricati in acciaio inox A2 ed A4. Alla classe di acciaio inox è possibile annoverare oltre 100 tipi di acciaio inossidabile e ciò lo rende una lega altamente versatile e personalizzabile. Esistono diverse tipologie di acciaio inossidabile ma, un approfondimento particolare, merita la classe di acciaio 304 e 316. Si tratta di due tipologie di acciai ampiamente ricercati per la loro resistenza alla corrosione.
- Acciaio dolce: L’acciaio dolce è una delle forme più diffuse di acciaio, utilizzato ampiamente nel settore siderurgico. Il nome deriva dalla sua composizione chimica. Infatti, l’acciaio dolce può essere descritto come il più mite degli acciai al carbonio perché contiene una quantità di carbonio relativamente bassa.
- Acciai extraduri: acciai extraduri (C tra 0,8% e 2,06%).
Suddivisione degli Acciai al Carbonio in Base al Tenore di Carbonio
- Acciai dolci o a basso tenore di carbonio.
- Acciai al carbonio medio.
- Acciai ad alto tenore di carbonio. Contengono più dello 0,6% di carbonio e sono molto duri e resistenti, ma meno duttili.
L’acciaio dolce non fa parte della famiglia degli acciai legati poiché, come specificato, non contiene grandi quantità di elementi oltre al ferro. Questo è infatti il principale motivo per cui dividere gli acciai legati da quelli non legati. Questi elementi aggiuntivi vengono inseriti in lega durante la fabbricazione del materiale metallico per migliorarne le proprietà meccaniche e/o tecnologiche. La presenza di un elemento piuttosto che di un altro e la quantità in cui questo è presente, influenzano le caratteristiche finali della lega.
Se gli acciai legati presentano elementi aggiuntivi nella loro composizione, al contrario gli acciai non legati sono costituiti da leghe nelle quali gli altri elementi sono presenti in una quantità inferiore a quella stabilita convenzionalmente dalle norme UNI EN 10020. A questo punto apparirà chiaro che le diverse composizioni chimiche degli elementi, danno vita ad acciai con caratteristiche diverse.
Acciaio a bassa resistenza, ovvero un acciaio a basso tenore di carbonio e con una limitata quantità di altri elementi in lega. La scelta della tipologia di acciaio viene determinata in base alle caratteristiche di resistenza e plasticità richieste per il prodotto finito. Ad esempio, quando gli elementi di bulloneria vengono impiegati in strutture particolari come recipienti a pressione, vengono solitamente prescritti gli acciai a bassa resistenza, sia per evitare esplosioni dovute a repentine rotture delle viti ed anche perché si tratta di acciai che permettono un certo allungamento prima della rottura.
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Calore Specifico: Definizione e Importanza
In questa lezione vedremo che cos'è il calore specifico e qual è la sua unità di misura. Consideriamo per esempio una massa di ferro di 1 kg che subisce un innalzamento di temperatura pari a 1 kelvin (K). Il calore specifico è una proprietà intensiva (e quindi caratteristica per ogni sostanza) e varia lievemente con la temperatura.
La sostanza con il più alto calore specifico è l'acqua (Cs = 4180 J·kg-1·K-1). I valori del calore specifico dei solidi tendono a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto. Spesso il calore specifico è invece espresso in J/(g·°C). Talvolta il calore viene espresso in calorie e quindi il calore specifico può essere espresso in cal/(g·K). Infatti 1 cal = 4,184 J.
Il calore specifico lo ritroviamo nella legge fondamentale della termologia. La formula di tale legge permette di calcolare la quantità di calore che bisogna somministrare (o sottrarre) ad un corpo di massa m per innalzare (o abbassare) la sua temperatura dal valore iniziale t1 al valore finale t2.
Come si può notare dalla tabella, il calore specifico del rame è piuttosto basso; basta poca energia per ottenere un grande aumento di temperatura. Il calore specifico dell'acqua invece è molto elevato: occorre cioè molta energia per ottenere piccoli incrementi di temperatura. Per questa sua proprietà, l'acqua dei grandi bacini, laghi e mari, di giorno si comporta come un grande "serbatoio termico", rilasciando l'enorme quantità di calore la notte e mitigano così il clima.
Nel caso dei gas il calore specifico a una data temperatura dipende dalle condizioni alle quali il calore è somministrato. dove R è la costante universale dei gas perfetti. Si calcoli la quantità di calore che bisogna somministrare a 100 g di ferro per innalzare la sua temperatura da 20°C a 30°C.
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Designazione degli Acciai
Abbiamo imparato che per scegliere il prodotto giusto in base alle proprie esigenze, è importante conoscerlo. In generale, la designazione degli acciai segue le linee guida indicate dalla normativa UNI EN 10027-2006. La sigla numerica è facilmente riconoscibile ma bisogna conoscerla per comprenderne il significato.
- Gli acciai che appartengono al Gruppo 1, sono designati in base all’impiego e alle loro caratteristiche meccaniche. Questa categoria comprende ben 8 sottogruppi all’interno dei quali si trovano, solitamente, acciai impiegati allo stato grezzo di laminazione. Esistono casi, come gli acciai strutturali, in cui la sigla è normalmente corredata da informazioni aggiuntive quali il grado di resilienza e lo stato di fornitura/qualità dell’acciaio.
- Gli acciai che appartengono al Gruppo 2, sono designati in base alla loro composizione chimica.
Abbiamo ripercorso in lungo ed in largo tutto il mondo dell’acciaio, giungendo alla conclusione che esiste una tipologia di acciaio adatta ad ogni applicazione specifica. gli acciai per utensili sono prodotti dalla combinazione chimica variabile in base alla resistenza al calore e durabilità desiderata.