acciai da utensili non legati per lavorazioni a freddo

Capitolo secondo
ACCIAI DA UTENSILI NON LEGATI PER LAVORAZIONI A FREDDO
INTRODUZIONE
Gli acciai da utensili non legati, o al solo carbonio, sono
considerati il riferimento per valutare le caratteristiche di
ogni altro tipo d’acciaio da utensili basso legato o legato.
Di seguito si descriveranno i tipi non legati, o basso legati al V, al Cr e al Cr-V, che sono divisi in quattro classi
secondo la designazione americana AISI (American Iron
and Steel Institute):
• classe 110 o acciai contenenti solo carbonio e normali
quantità di silicio e manganese;
• classe 120 o acciai contenenti piccole quantità di vanadio;
• classe 130 o acciai contenenti piccole quantità di cromo;
• classe 140 o acciai contenenti piccole quantità di cromo
e vanadio.
La tabella 2.01 riassume la composizione chimica degli
acciai da utensili per lavorazioni a freddo, temprabili in acqua (AISI W), non legati al solo carbonio o basso legati con
piccole aggiunte significative di manganese (Mn), cromo
(Cr) e vanadio (V).
Tabella 2.01. Acciai da utensili al carbonio con o senza aggiunta
significativa di Mn, Cr e V, classi 110, 120, 130 e 140.
Composizione chimica nominale (% p.p.)
Classe
AISI
C
Mn
Si
Cr
V
Classe 110 al carbonio
0,60
110
W1
0,25
0,25
\
\
1,40
Classe 120 al carbonio-vanadio
0,60
120
W2
0,25
0,25
\
0,25
1,40
121
W3
1,00
0,25
0,25
\
0,50
122
\
0,90
0,40
0,55
\
0,10
Classe 130 al carbonio-cromo
130
\
1,00
0,25
0,25
0,10
\
131
W4
1,00
0,25
0,25
0,25
\
132
W5
1,00
0,25
0,25
0,50
\
133
W6
0,90
0,70
0,25
0,25
\
Classe 140 al carbonio-cromo-vanadio
140
W7
1,00
0,25
0,25
0,35
0,20
Note: gli acciai W1 e W2 sono i più usati. Essi sono disponibili
con vari contenuti di carbonio nell’intervallo indicato e crescenti
progressivamente dello 0,10 %.
La Tabella 2.02 riassume la composizione chimica di
prodotto degli acciai da utensili per lavorazioni a freddo,
non legati al solo carbonio, temprabili in acqua, secondo
UNI EN ISO 4957. Nella tabella è stato aggiunto anche
l’acciaio C140KU, già considerato dalla norma UNI 29552, ritirata e sostituita dalla norma internazionale.
Tabella 2.02. Designazione e composizione chimica in % p.p., già
corretta con le tolleranze ammesse di prodotto, degli acciai non
legati da utensili per lavorazioni a freddo, secondo UNI EN ISO
4957.
Acciaio
Composizione chimica (% p.p.)
UNI EN
UNI EN
C
Mn
Si
10027-1
10027-2
C45U
1.1730
0,39÷0,53
0,56÷0,84
0,12÷0,43
C70U
1.1520
0,62÷0,78
0,06÷0,44
0,07÷0,33
C80U
1.1525
0,72÷0,88
0,06÷0,44
0,07÷0,33
C90U
1.1535
0,82÷0,98
0,06÷0,44
0,07÷0,33
C105U
1.1545
0,97÷1,13
0,06÷0,44
0,07÷0,33
C120U
1.1555
1,12÷1,28
0,06÷0,44
0,07÷0,33
C140KU
1,27÷1,53
≈1.1673
≤ 0,39
≤ 0,33
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Note alla Tabella 2.02:
• gli elementi che non figurano in tabella non devono essere
aggiunti intenzionalmente all’acciaio senza il consenso del
cliente, ad eccezione di quelli destinati all’elaborazione della
colata. Devono essere prese tutte le precauzioni necessarie
per prevenire l’aggiunta di elementi, provenienti dal rottame o
da altre materie prime usate nel processo produttivo, che potrebbero influenzare la temprabilità, le caratteristiche meccaniche e l’uso dell’acciaio;
• il massimo contenuto di zolfo e fosforo consentito su prodotto
è 0,035 % per tutti gli acciai citati, salvo per il C140KU il cui
limite è 0,025 %.
• l’acciaio C140KU non è considerato dalla norma UNI EN
ISO 4957.
I tipi 110 (W1) e 120 (W2) sono i più diffusi acciai da
utensili al carbonio e sono disponibili con vari contenuti di
carbonio dallo 0,60 all’1,40 %, con incremento nominale
dello 0,10 %.
I fattori che influenzano le proprietà e la struttura degli
acciai da utensili al solo carbonio sono gli stessi anche per
gli acciai da utensili basso legati.
Il carbonio è il principale elemento di lega che conferisce all’acciaio le caratteristiche fondamentali. Il silicio ed il
manganese sono generalmente aggiunti in piccole quantità,
di solito simili per tutti i tipi e sempre inferiori allo 0,55 %,
salvo per l’AISI W6 (classe 133), con 0,70 % di manganese.
Il silicio è usato principalmente come deossidante durante la fabbricazione dell’acciaio e la sua presenza influenza le proprietà solo moderatamente quando supera lo
0,50 % circa. È stato dimostrato che oltre questo limite il
silicio migliora leggermente la resistenza all’usura ma peggiora la tenacità, soprattutto per alti valori del carbonio.
Quando il silicio è alto e il carbonio supera l’1 % è probabile che avvenga la grafitizzazione, che abbatte la durezza e
la tenacità dell’acciaio.
Nei limiti delle concentrazioni usuali, l’influenza del
manganese negli acciai da utensili al carbonio è più importante di quella del silicio. Per esempio, il suo effetto sulla
temprabilità (penetrazione di tempra) è decisamente più
grande. Comunque a concentrazioni vicine all’1 %, il silicio
può avere lo stesso effetto del manganese (vedi tabella
2.04).
Quando sono trattati termicamente alla stessa temperatura degli acciai da utensili al carbonio, quelli ad alto contenuto di manganese mostrano una grossezza del grano
maggiore, soprattutto per permanenze prolungate, perché
possiedono una più bassa temperatura AC1. Sopra lo 0,40 %
di Mn in questi acciai aumenta la tendenza alla frattura durante la tempra in acqua, presumibilmente per la diminuzione della temperatura Ms e per l’aumento delle sollecitazioni di trasformazione dell’austenite in martensite, perché
l’acciaio autorinviene poco nell’intervallo di trasformazione
e per la maggiore profondità dello strato indurito.
Il contenuto di zolfo e fosforo degli acciai da utensili al
carbonio è generalmente inferiore allo 0,030 %, limite sotto
il quale influiscono poco sulle proprietà. Alcune colate contengono talvolta fino allo 0,045 % di P e 0,060 % di S, tuttavia mostrano ancora proprietà soddisfacenti.
Oltre alla composizione chimica, altri parametri influenzano il comportamento in esercizio degli acciai da utensili al carbonio; per esempio, la grossezza del grano e le
inclusioni non metalliche. Il loro effetto sulle proprietà
dell’acciaio è stato oggetto di numerosi studi ed i risultati
acquisiti ne permettono il controllo. Per questa ragione sono
proliferate varie qualità d’acciai da utensili fabbricati e venduti dalle acciaierie con composizione chimica pressocchè
uguale, ma diversi per la quantità e il livello dei controlli
sui prodotti in fabbrica, che garantiscono la costanza delle
proprietà e della risposta al trattamento termico (temprabilità). La varietà di acciai da utensili al carbonio indipendente
dalla composizione ha richiesto un sistema di classificazione più dettagliato dell’AISI, per cui è stato proposto ed accettato il sistema JIC (Joint Industry Conference), che classifica l’acciaio come nel seguente esempio:
W2-10-R-1,
dove i primi due simboli corrispondono al codice della classificazione AISI (W2), il numero seguente rappresenta la
concentrazione percentuale di carbonio nominale moltiplicato per 10 (10 = 1,00 %), la lettera che segue identifica la
temprabilità (vedi tabella 2.03. S = Shallow o bassa penetrazione di tempra, R = Regular o normale penetrazione e D
= Deep o alta penetrazione) e l’ultimo numero rappresenta
le varie qualità e precisamente:
• 1 = Special (grado 1): acciai da utensili temprabili in
acqua di più alto livello di qualità. La temprabilità è garantita e la composizione è mantenuta entro limiti assai
ristretti. Le barre sono sottoposte a rigorose prove per
assicurare la massima uniformità e prestazioni;
• 2 = Extra (grado 2): acciai da utensili temprabili in acqua di alta qualità, con temprabilità controllata e soggetti a prove che ne assicurano buone prestazioni in applicazioni generali;
• 3 = Standard (grado 3): acciai da utensili temprabili in
acqua di buona qualità, che non possiedono temprabilità
garantita e sono raccomandati per applicazioni che possono tollerare alcune variazioni di uniformità;
• 4 = Commercial (grado 4): acciai da utensili temprabili
in acqua di qualità commerciale, che non possiedono
temprabilità controllata e non sono soggetti a prove speciali.
Tabella 2.03. Temprabilità degli acciai W1 e W2 (Prova P-F di
Shepherd – vedi avanti).
Numero di temprabilità P-F
Profondità di tempra
8e9
10, 11 e 12
S (piccola)
≤ 10
≤8
R (normale)
9 ÷ 13
7 ÷ 11
D (alta)
10 ÷ 16
≥ 12
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