Acciaio: classificazione, materie prime, reazioni

L’ acciaio è una lega di ferro, carbonio e altri elementi alcuni dei quali aggiunti intenzionalmente per ottenere determinate proprietà e caratteristiche specifiche. Questi elementi sono: nichel, cromo, tungsteno, molibdeno, vanadio, manganese, cobalto, rame, niobio, zirconio, selenio e piombo.

Altri elementi, indicati come traccia o residui, sono presenti incidentalmente e non possono essere rimossi facilmente.

Il cromo aumenta la resistenza alla corrosione dell’acciaio e per produrre un acciaio inossidabile è necessario un minimo del 12% di cromo. Il nichel oltre a conferire tenacità all’acciaio, favorisce la passivazione pertanto l’acciaio inossidabile più comune detto 18:10 contiene il 18% di cromo e il 10% di nichel.

Gli acciai contenenti molibdeno, vanadio, cromo e tungsteno in varie combinazioni producono acciai molto duri, anche se fragili. Questi sono utilizzati, ad esempio, nelle punte da trapano. Gli acciai al cobalto sono usati come magneti e quelli al nichel nella costruzione di reattori nucleari.

Materie prime

Le principali materie prime per la produzione dell’acciaio sono il ferro d’altoforno, rottami di acciaio e il ferro per riduzione diretta.
Il ferro d’altoforno liquido contiene tipicamente i seguenti elementi nelle quantità indicate:

• carbonio dal 3.8 al 4.5 %
• silicio dallo 0.4 all’1.2 %
• manganese dallo 0.6 all’1.2 %
• fosforo fino allo 0.2 %
• zolfo 0.04 %

Il contenuto di fosforo dipende dal minerale utilizzato, poiché il fosforo non è rimosso nel processo di altoforno, mentre lo zolfo è solitamente raccolto durante la produzione del ferro dal coke e da altri combustibili

Reazioni

La produzione dell’acciaio è un processo in cui avvengono: fusione, purificazione e formazione della lega che si verifica a circa 1600 °C.

Si verificano in sequenza o in modo simultaneo varie reazioni chimiche ovvero l’ossidazione del:

• carbonio in monossido di carbonio

2 C + O₂ → 2 CO

• silicio in biossido di silicio

Si + O₂ → SiO₂

• manganese in monossido di manganese

2 Mn + O₂ → 2 MnO

• fosforo in anidride fosforica

4 P + 5 O₂ → 2 P₂O₅

Le reazioni sono tutte esotermiche e quantità controllate di rottame sono aggiunte per mantenere la temperatura desiderata.

Classificazione

Sulla base della composizione chimica, l’acciaio può essere classificato in quattro 4 tipi:

1. al carbonio che è il più utilizzato nelle industrie e rappresenta oltre il 90% della produzione totale

In base al contenuto di carbonio, gli acciai al carbonio sono ulteriormente classificati in tre gruppi:

• • • a basso tenore di carbonio/acciaio dolce con una percentuale di carbonio fino allo 0.25%
    • al carbonio medio con una percentuale di carbonio dallo 0.25 allo 0.60 %
    • al carbonio con una percentuale di carbonio 0.60% all’ 1.5

  2. inossidabile che, contenendo cromo, presenta resistenza alla corrosione per la formazione di uno strato sottile di Cr₂O₃ sulla sua superficie che agisce da passivante. Oltre al cromo, sono aggiunti anche nichel e molibdeno per conferire le proprietà desiderate. contiene anche quantità variabili di carbonio, silicio e manganese. Gli acciai inossidabili sono ulteriormente classificati come:

  • • ferritici costituiti da leghe ferro-cromo con strutture cristalline cubiche a corpo centrato generalmente magnetici. Essi non possono essere induriti dal trattamento termico ma possono essere rafforzati dalla lavorazione a freddo.
    • martensitici estremamente resistenti e tenaci ma non così resistenti alla corrosione come gli altri ma sono altamente lavorabili, magnetici e trattabili termicamente.
    • austenitici che sono i più resistenti alla corrosione, non magnetici e non trattabili termicamente
    • duplex costituiti da una microstruttura a due fasi costituita da grani di acciaio inossidabile ferritico e austenitico. Gli acciai duplex sono circa due volte più resistenti degli acciai inossidabili austenitici o ferritici.
    • indurenti per precipitazione che possiedono una resistenza ulteriore elevata grazie all’indurimento per precipitazione

  3. legato in cui sono utilizzate proporzioni variabili di elementi per ottenere proprietà quali saldabilità, duttilità, lavorabilità, resistenza, temprabilità e resistenza alla corrosione.

  Sono utilizzati:

  • Manganese che aumenta la forza e la durezza, diminuisce la duttilità e la saldabilità
  • Silicio che è usato come disossidante in quanto è capace di asportare l’ossigeno presente durante il processo produttivo
  • Fosforo che aumenta la forza e la durezza ma diminuisce la duttilità e la tenacità
  • Zolfo che diminuisce la duttilità, la tenacità e la saldabilità
  • Rame che migliora la resistenza alla corrosione
  • Nichel che aumenta la temprabilità e la resistenza agli urti
  • Molibdeno che aumenta la temprabilità e migliora la resistenza allo scorrimento degli acciai bassolegati
  4. per utensili che hanno un alto contenuto di carbonio che conferisce maggiore durezza e resistenza. Questi acciai sono usati principalmente per realizzare utensili che contiene varie quantità di tungsteno, cobalto, molibdeno e vanadio per aumentare la resistenza al calore e all’usura e la durata del metallo.