Le leghe negli acciai.

Cosa sono le leghe di acciaio?

In qualsiasi tipo di acciaio in cui vengono aggiunti uno o più elementi per ottenere una caratteristica desiderata o proprietà fisica, ad esempio la resistenza termica o la resistenza alla corrosione, ecc., vengono chiamate leghe di acciaio.

Gli elementi più comuni che vengono aggiunti a queste leghe di acciaio sono il molibdeno, il manganese, il nichel, il silicio, il boro, il cromo e il vanadio.

Questa tipologia di post anche se possono sembrare lunghi e noiosi da leggere in realtà sono fondamentali per capire meglio come si comportano gli acciai che si utilizzano, è un aspetto della cultura di un coltellinaio che ritengo siano un aspetto importante per capire come si comportano gli acciai e le varie influenze delle leghe.

Chiaramente si può costruire ugualmente un coltello ma questa tipologia di conoscenze ti rendono più consapevole di come si comporta quello che stai utilizzando.

Quante volte ti è capitato di leggere su un sito di coltelli o sentir dire da un tuo amico che ha comprato un coltello fatto con acciaio al vanadio, oppure più semplicemente quando sei stato in un brico o una ferramenta per comprare una punta da trapano e hai letto delle punte da muro al widia, oppure di quelle all’ 8% di cobalto per tagliare l’acciaio?

Ecco in questo post se lo leggi fino in fondo con calma e pazienza e sarà più facile capire cosa significa per un acciaio contenere questi elementi di lega.

Ogni acciaio ha la sua “ricetta” (composizione chimica) fatta con i propri ingredienti (elementi di lega), che mescolati nelle giuste dosi gli donano delle caratteristiche uniche.

Esistono sostanzialmente due metodi per creare queste ricette:

• utilizzando materie prime pure (si creano ricette precise e di altissima qualità);
• oppure usando elementi derivati dal riciclo di acciai già esistenti (si creano ricette sporche contenenti quantità, seppur piccole, di elementi di lega non voluti).

Quante volte ti è capitato di sentir dire da un tuo amico che ha comprato un coltello fatto con acciaio al vanadio, oppure sentirlo parlare delle punte da muro al widia, oppure di quelle all’ 8% di cobalto per tagliare l’acciaio?

Ti spiegherò ora cosa significa per un acciaio contenere questi elementi di lega.

Ogni acciaio ha la sua ricetta (composizione chimica) fatta con i propri ingredienti (elementi di lega), che mescolati nelle giuste dosi gli donano delle caratteristiche uniche.

Esistono sostanzialmente due metodi per creare queste ricette:

• utilizzando materie prime pure (si creano ricette precise e di altissima qualità);
• oppure usando elementi derivati dal riciclo di acciai già esistenti (si creano ricette sporche contenenti quantità, seppur piccole, di elementi di lega non voluti).

Elementi di lega dell’acciaio e la loro funzione negli acciai usati per la coltelleria

Come influenzano gli elementi di lega sulle caratteristiche dell’acciaio è una domanda che spesso viene fatta da chi sta cercando l’acciaio giusto per realizzare il proprio coltello artigianale ma spesso gli stessi maker usano alcuni tipi di acciai un pò per moda, un pò perchè se usi certi acciai “non ti sbagli” e un pò perchè sono abituati a usare un certo acciaio e lo conoscono bene e continuano a usarlo.

Caratteristiche dell’Acciaio

L’acciaio si può considerare, in prima approssimazione, come una lega binaria costituita da ferro e da una percentuale di carbonio non superiore al 2,11%, oltre la quale le leghe ricavate prendono la denominazione di ghise.

È importante considerare che negli acciai il carbonio non compare come costituente indipendente, ma si trova sempre combinato col ferro in forma di carburo (Fe₃C) detto anche cementite.

Pertanto è più corretto considerare gli acciai come leghe di ferro e cementite.

Questa caratteristica è di fondamentale importanza durante i processi di trasformazione degli acciai e infatti diverse condizioni di trasformazione implicano una diversa decomposizione della cementite, con conseguente variazione del tenore di carbonio, della struttura molecolare ed, in generale, delle caratteristiche chimico-fisiche della lega di acciaio.

Trattamenti termici

La trasformazione delle leghe di acciaio avviene tramite trattamenti termici suddivisibili in tre fasi fondamentali: 

• preriscaldamento,
• mantenimento in temperatura,
• raffreddamento controllato.

Portando il fluido a temperature superiori ai 723°C, la lega acciaiosa assume una conformazione stabile detta Austenite in cui il carbonio è disperso uniformemente in soluzione solida.

A temperature superiori a 912°C le molecole del ferro si dispongono in modo tale da dissolvere una maggior quantità di carbonio (ferro gamma con reticolo cubico a facce centrate).

Nella fase di raffreddamento il ferro assume la configurazione alfa (a reticolo cubico a corpo centrato) che ha minore potere di solubilità rispetto al carbonio.

Questo implica che le quantità di carbonio non solubili migrano per formare altri composti molecolari.

La lega risultante dipende quindi dalla percentuale di carbonio e può essere costituita da:

• ferrite+perlite negli acciai (ipoeutettoidici) con percentuali di carbonio <0,77%.
• perlite negli acciai (eutettoidici) con percentuali di carbonio =0,77%.
• perilite+cementite secondaria negli acciai (ipereutettoidici) con percentuale di carbonio >0,77%.

Questi tre elementi hanno caratteristiche meccaniche molto diverse:

la ferrite ha bassa durezza, circa 90 Brinell, basso carico di rottura (280-300 N/mm²) e grande plasticità;
la perlite ha durezza di circa 250 Brinell ed elevato carico di rottura, circa 900 N/mm²;
la cementite ha una durezza molto elevata ed una elevata fragilità.

Si deduce che le caratteristiche meccaniche della lega risultante è strettamente legata alla presenza di questi tre elementi.

Tempo di raffreddamento

Anche il tempo di raffreddamento influisce notevolmente sulla composizione della lega.

Prendiamo ad esempio un acciaio con 0,44% C (ipoeutettoidico).

Dopo un lento raffreddamento dallo stato austenitico fino a temperatura ambiente, esso risulterà costituito all’incirca dal 50% di ferrite e dal 50% di perlite.

Accelerando il processo di raffreddamento la percentuale di ferrite tende a ridursi, mentre quella di perlite ad aumentare.

Ciò si spiega col fatto che in un rapido raffreddamento gli atomi di carbonio non hanno il tempo di migrare per raccogliersi in lamine di cementite, rimanendo inglobati nelle molecole di ferrite ed accrescendo il volume della perlite.

Pertanto un acciaio raffreddato con velocità sensibilmente elevata mostra caratteristiche meccaniche simili a quelle di un acciaio con tenore di carbonio più elevato, ma raffreddato lentamente.

Se la velocità di raffreddamento supera una certo valore (caratteristico del tipo di acciaio) detto velocità critica di tempra, la lega assume una struttura diversa da quella normale di ferrite e perlite.

Essa risulta costituita da martensite ed ha una durezza molto più elevata rispetto a quella normale.

Il raffreddamento eseguito con velocità sufficiente a portare l’acciaio allo stato martensitico prende il nome di tempra.

Sottoponendo l’acciaio temprato ad una nuova fase di riscaldamento a temperature moderate (300-500 °C) si avvia il processo di rinvenimento, in cui il ferro alfa inizia l’espulsione degli atomi di carbonio rimasti forzatamente inglobati durante la fase di tempra.

Questi atomi si concentrano in minutissimi granuli di carburo di ferro che contribuiscono a formare leghe con durezza e fragilità inferiori a quelle della martensite.

Analisi dimensionale

La dimensione della colata è un ulteriore aspetto che influenza la composizione strutturale della lega di acciaio.

In linea di principio, durante la fase di raffreddamento le molecole di carbonio tendono a migrare verso le zone a temperatura maggiore, quindi le sezioni periferiche tenderanno ad avere un minor tenore di carbonio.

Inoltre per le colate di notevoli dimensioni non è pensabile rispettare tempi di raffreddamento lenti perchè questo potrebbe richiedere persino anni.

Pertanto si è costretti a forzare la velocità di raffreddamento con le conseguenze che abbiamo appena visto.

Ne consegue che nella fase di progettazione della lega si dovrà tener conto di questo fenomeno in modo da dosare ottimamente il tenore di carbonio in funzione delle caratteristiche richieste alla lega stessa.

Classificazione degli acciai in base al tenore di carbonio

In base al tasso di carbonio gli acciai si dividono in:

• extra dolci: carbonio compreso tra lo 0,05% e lo 0,15%;
• semi dolci: carbonio compreso tra lo 0,15% e lo 0,25%
• dolci: carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,40%;
• semi duri: carbonio tra lo 0,40% e lo 0,46%;
• 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%.

Seppure ci sia la tendenza a considerare gli acciai dolci meno pregiati, si può più precisamente affermare che la qualità di una lega di acciaio è tanto migliore quanto più le sue caratteristiche rispondono ai requisiti delle applicazioni per cui viene destinata.

Quindi se si fanno coltelli bisogna pensare l’acciaio da usare per quello specifico impiego e legato alle caratteristiche che deve avere un coltello e nel suo campo di applicazione.

Un coltello da sub, un coltello da survival, un coltello da cucina, un coltello da tutti i giorni da portarsi dietro in molte occasioni, un coltello per lavori gravosi, ecc.

Come potete immaginare la scelta dell’acciaio cambia perchè la resistenza alla corrosione, la tenuta del filo, la resistenza a flessione dell’acciaio, ecc. sono una delle cose da guardare, che poi si collegano con la scelta del disegno, dello spessore dell’acciaio, sulla qualità di esecuzione del trattamento termico, il costo del coltello, ecc. ma come è chiaro non può essere una scelta casuale.

E’ chiaro anche che se vuoi un coltello top ci sono alcuni acciai che sono una garanzia, diciamo che non ti sbagli mai ma che chiaramente portano in automatico il prezzo del coltello a valori più importanti e che per alcune applicazioni sono eccessive.

Come influenzano gli elementi di lega sulle caratteristiche dell’acciaio

Le caratteristiche fisico-meccaniche di una lega di acciaio possono essere modificate aggiungendo elementi alliganti secondari, oltre al carbonio, tali da conferirgli proprietà specifiche ed adeguate ad usi particolari.

I maker che costruiscono coltelli, quelli più attenti, guardano queste caratteristiche per scegliere l’acciaio più adatto alla realizzazione del coltello considerando la destinazione d’uso, il tipo di finitura della lama, il rapporto qualità prezzo, ecc.

Ecco un elenco degli elementi di lega che vengono normalmente utilizzati nella produzione di acciai:

C – Carbonio

È l’elemento principale nella strutturazione delle lege di acciaio, è l’elemento che non può mancare quando si parla di acciaio.

• Ne aumenta la durezza e la temprabilità.
• Aumenta fortemente la durezza in tutti gli stati di trattamento e soprattutto nelle leghe sottoposte a tempra.
• Nella forma di cementite secondaria, negli acciai ipereutettoidici ne determina pure la fragilità.

È l’elemento principe di ogni acciaio.

Il carbonio è utilizzato in tutti gli acciai.

Al – Alluminio

Viene utilizzato soprattutto negli acciai a grana fine.

Essendo uno dei principali elementi di lega di ferro e acciaio, l’alluminio (Al) svolge il ruolo di disossidazione e raffinamento del grano, che può migliorare la resistenza all’impatto dell’acciaio e ridurre la tendenza al freddo e all’invecchiamento.

• L’alluminio può anche migliorare la resistenza alla corrosione dell’acciaio, specialmente se usato con molibdeno, rame, silicio, cromo e altri elementi produrrà risultati migliori.
• L’aggiunta di Al in acciaio Cr-Mo o Cr può migliorare la sua resistenza all’usura e la presenza di Al in acciaio per utensili ad alto tenore di carbonio può causare la fragilità della tempra.
• Ma Al influenzerà la proprietà di lavoro a caldo, la proprietà di saldatura e la proprietà di taglio dell’acciaio.

È ampiamente usato in leghe speciali, tra cui acciaio nitrurazione, acciaio resistente agli acidi inossidabile, acciaio resistente al calore, lega elettrotermica, lega magnetica dura e magnetica morbida e così via.

• Ha un energico effetto disossidante.
• Forma con l’azoto dei nitruri durissimi.
• Combinato con Molibdeno e Cromo da notevole durezza superficiale.
• Conferisce resistenza all’ossidazione a caldo.
• Peggiora la saldabilità.
• Esso infatti, oltre ad avere un alto potere disossidante, affina molto il grano dell’acciaio.
• Utilizzato insieme a molibdeno e cromo aumenta la durezza superficiale.
• Miscelato con l’azoto invece permette di creare dei nitrir durissimi.

Il suo utilizzo porta però anche degli effetti negativi, infatti diminuisce la resilienza, la saldabilità, la strizione (ovvero la riduzione della sezione trasversale subita da un corpo sottoposto a trazione), la fucinabilità e la resistenza all’ossidazione.

Utilizzato negli acciai tipo: non utilizzato negli acciaio per la coltelleria.

B – Boro

In piccolissime percentuali aumenta l’attitudine ai trattamenti termici.

• Viene usato nei basso legati per aumentare la temprabilità e quindi la sua attitudine ai trattamenti termici in dosi comprese tra lo 0.0005 allo 0.003%.

Utilizzato negli acciai tipo: 30 MN B5.

Co – Cobalto

Utilizzato molto negli acciai per lavorazione a caldo rapidi e super rapidi.

• Esso non forma carburi da solo, ma è un moltiplicatore di effetti degli altri elementi.
• Previene l’ossidazione, e rende più stabile la martensite, ma diminuisce la penetrazione della tempra.

Utilizzato negli acciai tipo: CPM S110V, N690Co, VG10, ATS-55, COS-Laminato.

Cr – Cromo

È uno degli elementi più usato negli acciai da cementazione e da bonifica, normalmente accompagnato da nichel e molibdeno.

• Aumenta fortemente la temprabilità perchè riduce fortemente la velocità critica di raffreddamento.
• Aumenta la resistenza all’usura.
• Aumenta la stabilità al rinvenimento.
• Riduce la fragilità a freddo.
• Con percentuali maggiori del 12% percento è utilizzato negli acciai inossidabili ferritici e martensitici per migliorare la resistenza alla corrosione.

E’ l’elemento che distingue gli acciai cosiddetti carbonio dagli inox, essi infatti diventano inossidabili quando la sua presenza è maggiore o uguale al 12%.

Di norma viene utilizzato insieme a nichel e molibdeno.

Esso fa aumentare la resistenza alla corrosione, la resistenza all’usura e la stabilità al rinvenimento.

Aumenta inoltre la durezza, il limite di elasticità e la formazione di carburi da resistenza all’usura, migliora la resistenza alla trazione e riduce la fragilità a freddo.

Utilizzato in tutti gli acciai inox e in qualche carbonioso in piccole quantità.

Cu – Rame

Migliora la resistenza alla corrosione atmosferica.

Può provocare cedimenti strutturali a seguito di lavorazioni a caldo.

• Viene utilizzato spesso negli acciai tipo CORTEN (a basso contenuto di elementi di lega) e ne migliora la resistenza alla corrosione atmosferica e la resistenza alla fatica.

Utilizzato negli acciai tipo: COR-TEN, 125 SC, C70.

Mn – Manganese

È presente in piccoli tenori in tutti i tipi di acciaio.

• Riduce la fragilità a caldo provocata dai solfuri di altri elementi.
• Riduce la velocita di raffreddamento aumentando la temprabilità dell’acciaio.
• Aumenta la resistenza meccanica.
• In elevate percentuali aumenta la resistenza all’usura, ma rende l’acciaio molto suscettibile alla fragilità di rinvenimento.

Probabilmente è uno degli elementi di lega più utilizzato nell’acciaio dopo il carbonio.

Esso si comporta un po’ come l’alluminio da disossidante ma anche da desolforante, infatti riduce la fragilità a caldo provocata dai solfuri di altri elementi.

Riesce a ridurre la velocità di raffreddamento aumentando quindi la temprabilità, aumenta inoltre la resistenza meccanica e la durezza.

Utilizzato in quasi tutti gli acciai ma in gradi quantità in questi: O1, 5160, A2, 440, N690.

Mo – Molibdeno

È uno degli elementi più frequentemente usati nel trattamento degli acciai, spesso combinato con nichel e cromo.

• Influisce notevolmente sull’aumento della temprabilità, sulla stabilità al rinvenimento e sulla diminuzione della sensibilità al surriscaldo.
• Aumenta la durezza, la tenacità e la resistenza all’usura.
• Aumenta notevolmente la resistenza meccanica a caldo.
• Riduce fortemente la fragilità di rinvenimento negli acciai che ne sono suscettibili.
• anche esso largamente utilizzato in tutti gli acciai spesso combinato con nichel e cromo.
• Influisce aumentando sensibilmente la temprabilità e sulla stabilità al rinvenimento.

Riesce ad aumentare la durezza, la resistenza all’usura, la tenacità, la resistenza alla corrosione e quella alla fatica.

Utilizzato in quasi tutti gli acciai ma in gradi quantità in questi: ATS-34, CPM 3V, CPM S90V, CPM M4, Niolox, Becut, Sleipner, A2, Vanadis 4.

N – Azoto

Utilizzato soprattutto negli acciai inossidabili per aumentare la resistenza meccanica e stabilizzare lo stato di austenite.

• E’ utilizzato negli acciai inossidabili in quanto aumenta molto la resistenza alla corrosione (pitting), inoltre aumenta la resistenza meccanica e stabilizza lo stato di austenite.
• È anche usato usato per la produzione dei sinterizzati e nei processi di ricottura.

Utilizzato negli acciai tipo: NITRO B, 14C28N, 420MOD.

Ni – Nichel

Anche il Nichel è largamente usato nel trattamento degli acciai.

• Combinato con cromo e molibdeno aumenta l’attitudine al trattamento termico.
• Anche alle basse temperature migliora il complesso resistenza-tenacia.
• Provoca l’abbassamento dei punti critici, riduce la velocità critica di raffreddamento aumentando la temprabilità.
• Aumenta la durezza e la resistenza meccanica.
• Riduce la sensibilità al surriscaldo.
• Aumenta la durezza, la resistenza meccanica, la resistenza alla corrosione e la temprabilità.
• Non forma carburi.

Utilizzato negli acciai tipo: AUS 8, D2, N695, O1, CPM M4.

Nb – Niobio (Nb)

È un metallo duro, con la capacità di affinare il grano.

• Il suo utilizzo previene le scheggiature
• Aumenta la resistenza all’usura, creando così un acciaio capace di avere una grande resistenza alla chiodatura dei bordi.

Utilizzato negli acciai tipo: CPM S35VN, CPM S110V, Niolox, Cos, CTS-XHP.

P – Fosforo

Diminuisce la fragilità se utilizzato in alte concentrazioni.

• Aumenta inoltre la durezza, la resistenza alla corrosione e la lavorabilità.
• Se si supera una concentrazione dello 0,2%, la resilienza decade a 0.

Utilizzato negli acciai tipo: 125 SC, Shirogami 1, Shirogami 2.

Pb – Piombo

Facilita la lavorazione alle macchine utensili.

• Aumenta la lavorabilità dell’acciaio ma non ha effetti noti sulle proprietà meccaniche dell’acciaio se utilizzato in specifici range di concentrazione.

Utilizzato negli acciai tipo: 125 SC, Shirogami 1, Shirogami 2.

Si – Silicio

Come il manganese è presente in tutti i tipi di acciaio.

• Aumenta la durezza, la resistenza, la temprabilità, la stabilità al rinvenimento e la resistenza all’usura.
• Aumenta il limite di elasticità, pertanto viene utilizzato in acciai per molle e lamierini magnetici.
• Gli acciai al silicio hanno una tendenza alla fragilità, alla fibrosità e all’ingrossamento dei grani.
• Insieme al manganese è presente in tutti i tipi di acciaio e come il manganese viene utilizzato per disossidare.
• Esso aumenta a temprabilità, la durezza, la resistenza, la stabilità al rinvenimento e la resistenza all’usura.
• Viene spesso usato negli acciai per molle in quanto capace di aumentare il limite di elasticità.
• Per contro però acciai al silicio hanno una tendenza alla fragilità e all’ingrossamento del grano.

Utilizzato in grandi percentuali negli acciai tipo: M390, N690, N695, 420, 440C, AUS 8, Sleipner, Becut.

Ti – Titanio

• Aumenta la resistenza alla corrosione negli acciai inox.
• Riduce la dimensione del grano.
• Inibisce la fragilità delle strutture saldate in acciaio inox.
• Appartiene al gruppo del cromo ed è l’elemento che ha maggiore tendenza a formare carburi.
• Contrasta la formazione di austenite negli acciai con alto tenore di cromo, aumenta la resistenza alla corrosione negli acciai inox e riduce la dimensione del grano.
• Riduce la durezza e la temprabilità negli acciai a medio tenore di cromo e forma carburi fortemente abrasivi, riducendo cosi la lavorabilità dell’utensile, sottraendo cosi il carbonio alla matrice.

Utilizzato negli acciai tipo: NITINOL, 316 Ti

V – Vanadio

Ha una fortissima tendenza alla formazione dei carburi, pertanto aumenta la durezza anche a caldo, la stabilità al rinvenimento e riduce la sensibilità al surriscaldo.

• Normalmente non viene usato nell’acciaio da costruzione.
• Anche lui come il titanio appartiene al gruppo del cromo.
• Tende a formare molti carburi sottraendo però il carbonio alla matrice, per questo molti acciai sinterizzati ad alto tenore di V hanno delle quantità enormi di carbonio nella loro ricetta di lega.
• Insieme al tungsteno, conferisce agli acciai estrema durezza anche a temperature elevate.
• Si distinguono in acciai rapidi (al vanadio-tungsteno) e acciai super rapidi (al vanadio-tungsteno-cobalto).

Nella coltellerie conferisce caratteristiche quali l’alta resistenza agli urti e la durezza, mentre inibisce la crescita del grano.

Utilizzato negli acciai tipo: CPM S90V, CPM M4, D2, Vanadis 23, Elmax, M390, Niolox, Becut, SG2, Aogami.

W – Tungsteno

• Conferisce durezza e resistenza all’usura.
• Viene utilizzato negli acciai rapidi e acciai per lavorazioni a caldo.
• Esso limita la conducibilità termica dell’acciaio.
• I suoi effetti sono del tutto simili a quelli del molibdeno conferendo durezza e resistenza all’usura.

Una lega con presenza di tungsteno è estremamente dura e resistente al calore e ha ottima temprabilità.

Grazie alla sua conducibilità termica viene largamente usato nell’acciaio rapido, in quanto non perde la tempra fino 600°, e nell’acciaio autotemprante, in quanto tempra spontaneamente in aria dopo il raggiungimento della temperatura austenitica.

Utilizzato negli acciai tipo: VG7, W1, W2, CPM M4, Aogami, Cos, Vanadis 23, M390.

S – Zolfo

Anche lui è un elemento da considerarsi dannoso ma, se usato in piccole quantità, aiuta ad aumentare la lavorabilità.

Utilizzato negli acciai tipo: 125SC, C70, C100.

Conclusioni

A questo punto la situazione sembra essere diventata semplice ma non è cosi.

Quello che ti ho scritto è solo una infarinata per avvicinarti un po’ di più al mondo della metallurgia.

Ora però se vuoi capirci qualcosa in più prova a vedere la tabella qua sotto e cerca di comprendere a cosa serve un acciaio piuttosto che un altro.

Riepiloghiamo in fine gli effetti degli elementi leganti facendo esplicito riferimento alle variazioni delle caratteristiche dell’acciaio:

• Aumento della durezza: [Cr,Mn, Mo, Ni, Si, V].
• Aumento della durezza a caldo: [Cr, Mo, V]
• Diminuzione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento della temprabilità: [Cr,Mn, Mo, Ni, Si, V].
• Miglioramento del complesso resistenza-tenacità: [Cr, Mn, Mo, Ni].
• Diminuzione della sensibilità al surriscaldo: [Cr, Mo, Ni, V].
• Aumento della stabilità al rinvenimento: [Cr, Mo, V].
• Riduzione della tendenza alla fragilità del rinvenimento: Mn.
• Aumento del limite di elasticità: [Mo, Si, V].

L’effetto esercitato da un singolo alligante non è necessariamente cumulabile all’applicazione contemporanea di più elementi.

L’effetto risultante dipende infatti dalle interazioni reciproche tra i vari elementi.