ACCIAIO - Metallurgia, Fabbricazione dell'acciaio, Affinazione liquida, Affinazione solida, Altri processi di fabbricazione, Scelta del procedimentO,

acciaio

Metallurgia

Il  ferro non è più impiegato industrialmente a causa della sua alterabilità e delle modeste caratteristiche meccaniche. Le sue leghe col carbonio costituiscono viceversa la categoria di prodotti industriali più importante nel mondo. Queste leghe si dividono in due grandi categorie: 1. l'acciaio, malleabile e tenace, con tenori di carbonio compresi fra lo 0,09 e l'1,7%; 2. la ghisa, fragile ma di più facile colabilità in getti, con un contenuto di carbonio fra il 2 e il 4%.

Fabbricazione dell'acciaio

L'acciaio  si ottiene per affinazione della ghisa, decarburandola e depurandola al massimo dalle impurità dannose, soprattutto zolfo e fosforo, e correggendo contemporaneamente il tenore di altri elementi, quali silicio e manganese.

In passato l'acciaio era ottenuto direttamente dal minerale di ferro, il quale, ridotto dal carbone di legna, dava una ghisa che nella parte più calda del forno, dove entrava l'aria, si trasformava in acciaio (basso-fuoco catalano). Le dimensioni del forno vennero gradualmente aumentate per accrescere la produzione, ma seguendo questo metodo si arrivò alla realizzazione dell'altoforno per la sola produzione di ghisa, la quale doveva essere poi decarburata in un altro forno (basso-fuoco prima, convertitore e forno a suola poi, tuttora impiegati).

Alcuni processi, Norsk- Staal, Krupp-Renn, Höganäs, ecc., ottengono l'acciaio direttamente dal minerale, senza passare attraverso la ghisa, ma sono poco diffusi.

I processi oggi impiegati per la trasformazione della ghisa in acciaio seguono il metodo dell'affinazione liquida, in cui il metallo è liquido al termine dell'operazione, e il metodo dell'affinazione solida, in cui il metallo è pastoso al termine dell'operazione. La maggior parte dell'acciaio viene attualmente prodotta con il primo metodo.

Affinazione liquida

Affinazione ad aria soffiata (ottenuta con i convertitori Bessemer e Thomas). La ghisa liquida proveniente dai mescolatori viene versata nel convertitore disposto in posizione orizzontale (bocca verso l'alto); poi il convertitore viene portato gradualmente in posizione verticale, mentre attraverso una serie di fori aperti sul fondo si immette aria compressa, che brucia le impurità della ghisa. Questa combustione fornisce il calore necessario per elevare la temperatura del bagno dalla temperatura di fusione della ghisa (1.200 °C) alla temperatura di fusione dell'acciaio (1.600 °C). Col processo acido, o Bessemer, effettuato in convertitori con rivestimento interno di materiale refrattario siliceo, è possibile trattare le ghise non fosforose ricche di silicio (1,5-2%). Col processo basico, o Thomas, essendo il rivestimento interno di materiale refrattario a base di dolomite, vengono trattate le ghise fosforose (1,7-2%), a basso tenore di silicio (0,4-0,6%): assieme alla ghisa si carica nel convertitore una opportuna quantità di calce che serve all'eliminazione del fosforo. L'operazione al convertitore, che è molto rapida (dai 15 ai 20 min.), può essere divisa in quattro differenti fasi: scintille, fiamme, fumi, affinazione propriamente detta. Nella prima vengono eliminate le impurità del silicio e del manganese, che danno luogo a una scoria flottante sul bagno e a una gran quantità di scintille. Segue la fase di ossidazione del carbonio, con generazione di ossido di carbonio che brucia nell'aria con una grande fiammata. La fase fumi (fumi nerastri di ossido di ferro e di ossido di manganese), nel convertitore Bessemer corrisponde alla fine della decarburazione; nel processo Thomas, oltreché alla fine della decarburazione, corrisponde, soprattutto, alla defosforazione, che si attua aumentando la portata dell'aria e ha inizio solo quando la combustione del carbonio è terminata. La fine della conversione viene controllata esaminando i fumi e le fiamme, nonché l'aspetto che presenta alla rottura una piccola placchetta di acciaio rapidamente raffreddata. Successivamente si introducono nel bagno gli additivi necessari alla completa affinatura, quindi l'acciaio viene rovesciato in siviera per nuova rotazione del convertitore. Nel convertitore Thomas le scorie, ricche di fosforo, vengono asportate prima dell'affinazione finale e sono usate, dopo macinazione, come fertilizzante.

Secondo le tecniche più moderne, con le quali viene prodotta una elevata percentuale di acciaio negli Stati della CECA, durante l'affinazione anziché insufflare aria si insuffla una miscela di aria e di ossigeno, oppure di ossigeno e di vapor d'acqua, oppure di ossigeno e di biossido di carbonio, oppure si insuffla ossigeno puro.

I processi all'ossigeno permettono di ottenere: acciai molto puri, data la riduzione del tenore di azoto, con conseguente risparmio di energia; acciai con determinate caratteristiche da ghisa di più varia composizione nonché acciai al carbonio con tenore di carbonio superiore allo 0,4%; permettono l'utilizzazione di rottami e una maggiore produttività, il tutto con costi d'impianto relativamente limitati. I più importanti processi all'ossigeno sono i seguenti:

1. processo LD (iniziali di Linz e Donawitz, sedi delle acciaierie nelle quali esso è stato applicato), basato sull'insufflazione di ossigeno puro nel convertitore, che consente l'affinazione di ghise con 0,2÷0,4% di fosforo (troppo fosforose per il processo Bessemer e troppo poco fosforose per il processo Thomas); si ottengono acciai di qualità uguale o superiore a quelli ottenuti con il processo Martin- Siemens, con una operazione di durata intermedia fra questo processo e i processi Bessemer e Thomas;

2. processo OLP(Oxygène Lance Poudre), variante del processo LD, adatto a ghise fosforose, nel quale l'ossigeno insufflato trascina calce in polvere; l'insufflazione ha luogo in due tempi, con scorificazione intermedia; il processo consente una migliore regolazione della composizione dell'acciaio;

3. processo Kaldo (iniziali del metallurgista Kalling e della località Domnarvet, in Sa), utilizzabile per l'affinazione di ghise fosforose, con tenore di fosforo più elevato di quelle utilizzabili con processo LD, anch'esso basato sulla insufflazione di ossigeno puro; si può regolare la decarburazione rispetto alla defosforazione, e quindi ottenere acciai assai puri con bassi tenori di fosforo;

4. processo al rotore, intermedio fra il processo al convertitore e il processo con forno a suola; utilizza un forno che ruota lentamente e una lancia a due getti per insufflare rispettivamente ossigeno puro nel bagno e una miscela d'ossigeno e di aria alla superficie del bagno, allo scopo di bruciare l'ossido di carbonio.

Vanno segnalati anche nuovi processi di affinazione dell'acciaio al forno elettrico. Con il processo VAR (Vacuum Arc Remelting) la rifusione dei lingotti di acciaio avviene in un forno elettrico ad arco, nel quale viene prodotto un vuoto spinto; il lingotto fonde nuovamente con vaporizzazione delle impurezze, aspirate da pompe a vuoto, indi solidifica.

. Affinazione su suola (al forno Martin-Siemens). Come per i convertitori, esistono forni Martin-Siemens acidi e basici. Nel forno acido si ottiene l'affinazione del carbonio, del silicio e del manganese, ma non dello zolfo e del fosforo, che è possibile nel forno basico. Il forno a suola, completo di ricuperatore di calore, è riscaldato da gas di gasogeno, nafta, metano, e può raggiungere una capacità di qualche centinaio di tonnellate. Può essere caricato con ghisa liquida o solida, con rottami o trucioli (scrap process), con minerale di ferro (ore process). L'affinazione è prolungata oltre la fusione completa della carica: la scoria, che sarà calcarea o silicea a seconda che sia necessario o no defosforare, assume in questa fase un'importanza determinante. Quando l'acciaio ha raggiunto la qualità voluta si eliminano le scorie e si effettua la colata, per inclinazione del forno o per gravità, attraverso apposita apertura.

L'affinazione su suola è un processo piuttosto lungo (8-l0 ore): attualmente può essere accelerato con l'impiego di ossigeno, che ha anche il vantaggio di dare un acciaio più puro.

. Affinazione al forno elettrico. Questo processo permette di ottenere un'affinazione molto spinta ed è perciò impiegato largamente per la fabbricazione degli acciai di qualità. Il riscaldamento del forno viene effettuato mediante un arco voltaico che scocca fra gli elettrodi di grafite e i materiali che costituiscono la carica. Quando il materiale ha raggiunto lo stato liquido si addizionano sostanze diverse che attuano l'affinazione. Nel caso del processo basico l'aggiunta di materiale ossidante permette di eliminare il silicio, il manganese e il carbonio, mentre il fosforo è eliminato successivamente con l'aggiunta di prodotti ancor più basici. Dopo l'eliminazione delle scorie il bagno è deossidato e desolforato con scoria riducente e acida. A questo punto è possibile effettuare le opportune addizioni per ottenere acciaio nella composizione voluta.

L'affinazione della ghisa può anche essere effettuata con un procedimento doppio, chiamato processo duplex, che consiste nell'iniziare l'affinazione stessa al convertitore o su suola e nel completarla al forno elettrico: il costo di produzione è in tal caso molto inferiore per ridotto consumo di energia elettrica. Anche nel caso del forno elettrico l'impiego di ossigeno nella fase ossidante accelera il processo e migliora l'acciaio prodotto.

Un altro tipo di forno elettrico è il forno a induzione, il quale richiede cariche molto pure, il che limita il suo impiego alla fabbricazione di acciai molto affinati e ad alto tenore di elementi di lega.

. Elaborazione al crogiolo. Come il forno a induzione, il crogiolo attua semplicemente la fusione dei materiali, altamente affinati, che contiene. I crogioli sono riscaldati in forni a coke, a gas, a nafta, con ricupero di calore. Questo processo fu per molto tempo l'unico impiegato per la produzione dell'acciaio.

Affinazione solida

I  materiali altamente affinati, necessari per la fabbricazione dell'acciaio al crogiolo e al forno a induzione, sono ottenuti con i processi di affinazione solida, gli unici che permettano di ottenere ferro purissimo con tenori di zolfo e di fosforo molto bassi, quali i processi ad affinazione liquida non possono dare.

I due processi di affinazione solida al basso- fuoco e per puddellaggio sono molto simili, differenziandosi praticamente solo in quanto nel primo il combustibile (carbone di legna) è a contatto diretto con la ghisa, mentre nel secondo la combustione avviene in un altro forno. L'affinazione viene effettuata dalla scoria, ricca di ossido di ferro continuamente arricchito di ossigeno, in un bagno tenuto in costante agitazione. Al termine dell'operazione le loppe spugnose del metallo, molto ricche di scorie, vengono tolte dal forno e battute perché perdano quante più scorie possibile. Per ottenere un acciaio più ricco di carbonio dal prodotto del basso-fuoco o del puddellaggio, lo si riduce in barrette piatte e lo si cementa a cuore con carbone di legna. Il metallo così ottenuto è ad alto grado di purezza, ma anche molto costoso.

Altri processi di fabbricazione

Accanto  ai metodi tradizionali di fabbricazione dell'acciaio ne sono stati messi a punto altri, che in generale consistono in miglioramenti di efficienza dei primi:

- il processo Perrin, che per successivi travasi in siviera contenente scoria acida completa l'affinazione iniziata al forno Martin basico;

- il processo Monell, che riduce il periodo di ossidazione facendo reagire la ghisa liquida con minerale e calce portati a temperatura di incipiente fusione;

- il processo Talbot, che realizza una specie di colata continua al forno Martin basico, nel quale viene attuata solo la prima affinazione; si versa l'acciaio in siviera dove si completa l'affinazione, mentre la parte spillata viene contemporaneamente reintegrata nel forno da ghisa;

- i processi Hoesch e Bertrand- Thiel, che prevedono un primo trattamento delle ghise ad alto tenore di fosforo con compimento dell'affinazione secondo i processi tradizionali;

- i processi combinati o duplex, per particolari materiali di partenza (per es. convertitore Martin basico per ghise ad alto tenore di silicio e di fosforo);

- il processo al rotore, che attua una preaffinazione, o anche l'affinazione completa, della ghisa in un grande cilindro orizzontale rotante (rotore) all'interno del quale agiscono due potenti getti di ossigeno;

- il processo LD(Linz/Donawitz), che trasforma ghise a bassissimo tenore di fosforo in acciaio a basso tenore di azoto, in un forno simile al convertitore ma nel quale l'ossigeno è insufflato dall'alto sulla superficie del metallo liquido.

Una citazione meritano infine gli impianti a ciclo integrale, che seguendo l'uno o l'altro dei processi citati trasformano il minerale nel prodotto finito (laminato) senza lasciar raffreddare il materiale, con evidente economia di trasformazione.

Scelta del procedimento

La scelta fra i diversi processi dipende da condizioni e considerazioni tecniche ed economiche molto variabili e complesse, dalle quali si possono però desumere alcune regole generali.

Il crogiolo e il forno elettrico danno un acciaio di composizione chimica ben determinata e di alta qualità, ma molto costoso; di questi l'acciaio al forno elettrico è più economico date le maggiori capacità di questo tipo di forno. Il processo Martin-Siemens è preferito al processo Thomas perché dà un acciaio di qualità leggermente superiore in quanto, essendo il Martin-Siemens meno veloce del Thomas, permette una dosatura più rigorosa degli elementi di fine-processo e un'azione dell'aria che elimina le impurità senza arrivare all'ossidazione del ferro. Di contro il costo di produzione dell'acciaio Thomas è inferiore perché la durata del processo è più breve e avviene senza apporto esterno di calore. Entrambi i processi danno comunque buoni acciai, a condizione di effettuare, al termine dell'affinazione, un'attenta addizione delle ferroleghe, ricche di silicio, di manganese e di altri elementi, sia per la titolazione voluta, sia per la deossidazione e la calmatura. I processi al convertitore sono generalmente riservati alle ghise liquide, siano esse di colata diretta dall'altoforno, siano invece prelevate dal mescolatore, grossa siviera capace di qualche centinaio di tonnellate dove si raccolgono più colate di altoforno e si realizza l'omogeneizzazione e la desolforazione della ghisa. Il forno Martin- Siemens è viceversa il più idoneo per il trattamento dei pani di ghisa e principalmente dei rottami di acciaio di ricupero, con o senza aggiunta di ghisa liquida o di minerale.

I processi a scoria basica hanno permesso l'impiego industriale di ghise ad alto tenore di fosforo provenienti da giacimenti estesissimi, come quelli della Lorena in Francia, del Cleveland in Inghilterra, di Clinton negli Stati Uniti. I processi acidi sono invece impiegati per l'affinazione di ghise silicee provenienti da minerale molto puro (ghise ematiti).

Componenti dell'acciaio

Sono  gli elementi che entrano in lega col ferro, in percentuali generalmente variabili dallo 0 al 5%. Carbonio e silicio sono sempre presenti, il primo con un tenore che raramente supera l'1% (di solito 0,15-0,75%), il secondo con tenori compresi fra lo 0,1 e lo 0,7%, e anche superiori in alcuni acciai speciali (per lamiere di trasformatori a debole isteresi, per molle, ecc.).

Il manganese è sempre presente in tenori che variano dallo 0,3 allo 0,8%, e anche fino al 15% in alcuni acciai speciali di grande durezza e resistenza all'usura (per rotaie, casseforti, ecc.). La presenza del manganese dà modo all'acciaio di conservare la saldabilità che altrimenti perderebbe con tenori di carbonio superiori allo 0,15%.

Zolfo e fosforo, nonché l'ossigeno, libero o combinato, sono impurità dannose: un tenore dello 0,1% è già eccessivo; il fosforo rende fragile l'acciaio, lo zolfo ne riduce la malleabilità.

Cromo, nichel, vanadio, tungsteno, molibdeno ecc. entrano, da soli o associati, nella costituzione di moltissimi acciai speciali.

Strutture e proprietà dell'acciaio

L'esame  micrografico di un acciaio allo stato ricotto rivela un certo numero di componenti. La ferrite (soluzione solida di carbonio nel ferro ), componente dolce e malleabile, forma cristalli ben definiti negli acciai a basso tenore di carbonio (0,10%). Aumentando il tenore di carbonio e - dapprima sul contorno dei piccoli grani di ferrite e quindi, col crescere del tenore fino a 0,85%, in tutta la struttura - la perlite, aggregato di ferrite e cementite (carburo di ferro): il carattere duro e resiliente di questa accresce la durezza dell'acciaio. Le caratteristiche meccaniche degli acciai comuni sono legate alla composizione chimica e alla struttura micrografica: un acciaio con lo 0,10% di carbonio (sola ferrite) ha una modesta resistenza a trazione (30 kg/mm²) ma una notevole malleabilità (allungamento a rottura 35%); un acciaio con lo 0,8% di carbonio (sola perlite) ha una notevole durezza e una buona resistenza a trazione (80 kg/mm²), ma una notevole fragilità e una ridotta malleabilità (allungamento a rottura 8%).

Negli acciai comuni temprati non è possibile conservare a temperatura ambiente l'austenite (soluzione solida di carbonio nel ferro ), stabile soltanto al disopra della temperatura di trasformazione. Si forma invece un altro componente, la martensite, che dà all'acciaio temprato la sua durezza caratteristica, all'incirca tripla di quella dello stesso acciaio, ma ricotto. Un acciaio con lo 0,8% di carbonio, temprato in olio a temperatura ambiente, ha una durezza di circa 900 Vickers (solo di 200 allo stato ricotto) e una resistenza a trazione di almeno 250 kg/mm². A questa elevata durezza corrisponde però una limitatissima deformabilità e una grande fragilità, per cui è necessario far seguire alla tempra un ulteriore trattamento termico di rinvenimento il quale scinde la martensite in un aggregato di cristalli minutissimi, difficilmente visibili al microscopio: la sorbite o osmondite formata, come la perlite, di ferrite e cementite. Naturalmente è possibile, regolando la temperatura di rinvenimento e il tempo di permanenza a questa temperatura, ottenere un soddisfacente equilibrio fra le contrastanti caratteristiche meccaniche (durezza e resistenza a trazione da una parte, allungamento e malleabilità dall'altra). Esistono anche altri particolari componenti dell'acciaio: la troostite, sorta di perlite ottenuta per raffreddamento non sufficientemente lento; la bainite, aggregato di ferrite e cementite, che si rileva unicamente nel corso dei trattamenti di tempra isotermica; la troosto-martensite, miscela di troostite e martensite.

Trattamento dell'acciaio

Gli  acciai hanno la possibilità di essere sottoposti ai più diversi trattamenti, sia termici (ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento), sia fisico-chimici (cementazione, nitrurazione), che permettono di ottenere un complesso di caratteristiche anche contrastanti (durezza, malleabilità).

. Trattamenti termici degli acciai. I principali sono: 1. Ricottura, cioè riscaldamento a temperatura superiore all'intervallo critico, prolungata permanenza a tale temperatura, lento e controllato raffreddamento. Serve per addolcire e rendere più lavorabile il materiale, omogeneizzarlo, eliminare le tensioni interne. Si hanno vari tipi di ricottura: completa, di globulizzazione, di grafitizzazione, isotermica, di lavorabilità, di omogeneizzazione. 2. Normalizzazione, consistente in un ciclo termico analogo a quello della ricottura, ma con raffreddamento meno lento. Serve per affinare o omogeneizzare la struttura. 3. Tempra (o tempera), che si effettua riscaldando a temperatura superiore all'intervallo critico, mantenendo adeguatamente a tale temperatura e raffreddando rapidamente in ambiente opportuno (acqua, olio, sale fuso, aria soffiata, ecc.) l'acciaio, che acquista elevata resistenza meccanica e durezza superficiale. Può essere di vari tipi: alla fiamma, diretta, a induzione, incompleta, interrotta, isotermica, con isteresi, localizzata, superficiale, termale. 4. Rinvenimento, che consta di un riscaldamento a temperatura inferiore all'intervallo critico e in un più o meno rapido raffreddamento di un pezzo temprato. Serve per ridurre la durezza e aumentare la tenacità e la resilienza. 5. Bonifica, il complesso dei trattamenti di tempra e di rinvenimento che realizza un compromesso fra resistenza e tenacità, a seconda delle necessità di impiego del pezzo trattato. 6. Distensione, consistente in un riscaldamento a temperatura molto inferiore all'intervallo critico e in un lento raffreddamento, che riducono durezza e tensioni interne.

. Trattamenti fisico- chimici. Cementazione. Si ottiene generalmente riscaldando a temperatura elevata in ambiente solido, liquido, gassoso, per un tempo necessario a ottenere l'assorbimento e la diffusione, per uno strato superficiale, di un determinato elemento (ad es. carbonio). Lo strato superficiale assume così determinate proprietà. Si hanno vari tipi di cementazione: la cementazione carburante, la cianurazione, la calorizzazione, la cromizzazione, la nitrurazione, la carbonitrurazione, la sherardizzazione, la silicizzazione. Esistono altri trattamenti: fiammatura, invecchiamento, malleabilizzazione, patentamento, riassestamento, ricristallizzazione, solubilizzazione, trattamento sotto 0 °C, spegnimento, stabilizzazione, tempra di rigenerazione, alcuni dei quali sono casi particolari dei precedenti.

Sono poi applicabili all'acciaio tutte le moderne tecniche di deformazione per ottenere la conurazione voluta (fucinatura, laminazione, trafilatura, stamgio a caldo e a freddo, imbutitura, ecc.).

. Particolari metodi di colata. La colata dell'acciaio in lingottiera può essere effettuata in maniera continua, nei processi chiamati appunto di colata continua. Dall'alto di una lingottiera senza fondo viene colato in continuità acciaio liquido, che in continuità esce dal fondo sotto forma di barra incandescente già solidificata. La colata può anche avvenire sotto vuoto. Parte caratteristica di tali impianti (sistema LBV, sistema DHH, ecc.) è un ambiente nel quale vien fatto il vuoto a mezzo di potenti pompe e in cui viene colato l'acciaio. Si ottiene un materiale praticamente esente da gas dannosi alla purezza del prodotto, in particolare da idrogeno.

Classificazione e impiego degli acciai

Gli  acciai possono essere classificati secondo criteri diversi.

Classificazione secondo il processo di fabbricazione

Acciai Martin-Siemens, Thomas, Bessemer, elettrici

Acciai al crogiolo. Il processo di fabbricazione dell'acciaio al crogiolo, poco diffuso a causa del costo elevato, viene seguito solo per alcuni acciai di alta qualità (fini, da utensili, speciali).

Acciai di fusione. Gli acciai da utensili, un tempo ottenuti per fusione al crogiolo, erano detti «acciai di fusione» per distinguerli dagli altri acciai ottenuti, a es., per puddellaggio o per conversione della ghisa. Il termine «acciaio di fusione» è ancor oggi usato impropriamente per indicare l'acciaio ad alto tenore di carbonio per utensili.Acciai calmati. La calmatura dell'acciaio, ottenuta per aggiunta di deossidanti (silicio, alluminio) al bagno fuso, evita la formazione di soffiature nella massa di acciaio solidificato. I lingotti hanno la superficie superiore della materozza molto concava.

Acciai effervescenti. Un acciaio è effervescente quando è stato insufficientemente deossidato, e quindi durante la solidificazione non ha potuto liberarsi dei gas, con conseguente formazione di un gran numero di bolle nella massa del lingotto. Queste bolle compensano parzialmente la contrazione della materozza, che presenta la superficie superiore pianeggiante. Negli acciai effervescenti, che hanno in generale un basso tenore di carbonio, la porzione di materozza da tagliare è perciò molto ridotta rispetto agli acciai calmati.Acciai fucinati,

Acciai fusi. Tutti i tipi di acciaio possono essere fusi, per realizzare in fonderia pezzi di dimensioni grandi (basamenti e montanti di macchine, parti di navi, corpi-turbina) e piccole. La maggior parte delle tecniche di fonderia può essere applicata alla fusione dei getti di acciaio.Acciai laminati.

Acciai sinterizzati. Acciai ottenuti per sinterizzazione di una miscela di polvere di ferro e grafite, o per carburazione a cuore di una massa di ferro sinterizzato.

Acciai stampati

Acciai trafilati

Classificazione secondo la composizione e la struttura

La classificazione degli acciai in base alla composizione chimica è la più diffusa: una denominazione fondata sulla struttura micrografica che presenta lo stato ricotto permette di prevedere le caratteristiche meccaniche che quel determinato tipo di acciaio avrà allo stato in cui dovrà essere impiegato. Si parla così di acciaio perlitico, ferritico, austenitico, martensitico, ecc.

In base alla composizione, gli acciai si dividono in due categorie fondamentali: acciai comuni e acciai legati, o speciali.

Acciai comuni. Detti anche, impropriamente, acciai al carbonio, sono costituiti dalla lega di ferro e carbonio: il tenore massimo del carbonio è dell'1,8%, ma gli acciai di uso corrente non superano in generale l'1%. In questo tipo di acciai sono anche presenti in piccole quantità manganese (0,3-0,5%), silicio (0,1-0,6%), zolfo (meno dello 0,05%), fosforo (meno dello 0,05%).

Gli acciai comuni vengono classificati con una gradazione di durezza a seconda del tenore di carbonio in:

Acciai extradolci: carico di rottura a trazione (R) = 35 kg/mm², allungamento (A) = 35%; sono impiegati nella minuteria metallica, nelle lamiere da stamgio profondo (carrozzerie), nastri, pezzi fucinati, ecc.;

Acciai dolci: R = 40; A = 25%; per normali applicazioni meccaniche, di carpenteria metallica, profilati, tubi, lamiere, bulloneria, fili;

Acciai semidolci: R = 50; A = 22%; per getti, particolari di macchine, pezzi fucinati;

Acciai semiduri: R = 60; A = 20%; per getti, alberi di trasmissione, piccola attrezzeria, particolari di macchine agricole, un tempo per bocche da fuoco;

Acciai duri: R = 70; A = 15%; per getti, particolari di armi da fuoco e di attrezzeria, binari, molle (lame e fili), coltelleria;

Acciai extraduri o durissimi: R = da 80 a 100; A = dal 5 al 10%; per fili (cavi ad alta resistenza, molle, corde da pianoforte), utensileria per lavorazioni meccaniche (lime, seghe, frese, ecc.).

. Acciai legati o speciali. Gli elementi di lega hanno lo scopo di conferire all'acciaio caratteristiche particolari come conseguenza di una modifica chimica o micrografica, oppure di migliorarne semplicemente le caratteristiche meccaniche, spesso agevolando il trattamento termico (abbassamento della temperatura di trasformazione).

Se nessuno degli elementi di lega supera il tenore del 5%, l'acciaio è a basso tenore di lega; se questo limite è superato, l'acciaio è fortemente legato o ad alto tenore di lega. I tipi di acciai speciali (definiti, a seconda del numero di elementi di lega, come binari, ternari, quaternari, complessi) sono numerosissimi. Tra i principali:

Acciai al nichel (nichel dal 2 al 40%). Il nichel a basso tenore migliora la temprabilità e le caratteristiche meccaniche (acciai da cementazione, particolari di motori); ad alto tenore aumenta la resistenza alla corrosione.

Acciai al cromo (cromo dall'1 al 18%). Il cromo dà luogo alla formazione di carburi duri che fanno accrescere la resistenza a trazione ma portano a una certa fragilità. Con tenori fino al 4% sono impiegati come acciai da utensili e per cuscinetti a rotolamento; con tenori più alti costituiscono gli acciai per coltelleria pregiata e gli acciai da taglio (acciai inossidabili con un tenore di cromo uguale o superiore al 12%).

Acciai al manganese. Hanno la caratteristica di una buona resistenza all'usura (binari, aghi di scambio, parti di frantoi in acciaio Hadfield al 13% di manganese).

Acciai al silicio. Impiegati per molle, lamiere di trasformatori.

Acciai al tungsteno. Impiegati per magneti permanenti.

Acciai al nichel-cromo. Sono i più importanti fra gli acciai legati per le loro estesissime applicazioni che sfruttano i vantaggi del nichel e quelli del cromo. Si distinguono gli acciai perlitici (tenori massimi: nichel 6%, cromo 2%), molto impiegati nelle costruzioni meccaniche, gli acciai austenitici (più ricchi di nichel e di cromo), che costituiscono gli acciai inossidabili (il più noto è l'acciaio 18-8, contenente cioè il 18% di cromo e l'8% di nichel), e taluni acciai refrattari. Per facilitare i trattamenti termici, si addizionano a questi acciai piccole quantità di molibdeno, di vanadio, di titanio, ecc.

Acciai al cromo-tungsteno. I più conosciuti di questa categoria sono gli acciai rapidi. Nella pratica corrente si usa aggiungere alla gradazione della durezza il tipo del processo di affinazione o di formatura: si parla così di acciaio dolce Martin-Siemens laminato a freddo, di acciaio austenitico al nichel-cromo fuso a cera persa, ecc.

Classificazione secondo l'impiego o la destinazione

Acciai automatici o ad alta velocità. Contengono piccole quantità di zolfo o di piombo che facilitano la lavorazione ad alta velocità su macchine utensili automatiche.

Acciai autotempranti. In grado di subire la tempra, con formazione di struttura martensitica molto dura, per semplice raffreddamento in aria dopo riscaldamento a temperatura superiore a quella di trasformazione.

Acciai da costruzione. Sono generalmente acciai comuni o legati utilizzati per la costruzione di organi di macchine, pezzi fucinati, carpenteria metallica, lamiere di piccolo, medio, grosso spessore.

Acciai da utensili. Nome generico che indica gli acciai impiegati per la costruzione di utensili da taglio (punte da trapano, frese, ecc.), quelli usati per la costruzione di attrezzature per la deformazione a caldo o a freddo (matrici e punzoni di stamgio e fucinatura, filiere, ecc.), nonché gli acciai impiegati per la costruzione di utensili come lame per sega, ferri da trancia, ecc. I tipi di acciai da utensili sono numerosissimi: da quelli comuni o a basso tenore di lega impiegati per utensili a mano, a quelli indeformabili al cromo (2-l2%), al silicio (2%), oltre agli acciai rapidi al cromo, al tungsteno, al molibdeno, al vanadio.

La composizione chimica di questi ultimi ha subito moltissime variazioni dalla composizione-tipo definita da Taylor nel 1906. I tenori degli elementi di lega sono attualmente i seguenti: carbonio dallo 0,8 all'1,2%, tungsteno dal 2 al 18%, cromo dal 3 al 6%, vanadio dall'1 al 3%, con addizioni supplementari dall'1 all'8% di molibdeno e dal 3 al 10% di cobalto.

Le caratteristiche essenziali di un acciaio rapido - durezza, resilienza, resistenza all'usura e alla fatica - devono essere conservate anche a temperatura elevata nel caso che l'utensile sia soggetto a surriscaldamento durante la lavorazione, come avviene, ad es., nella lavorazione ad alta velocità su macchine utensili e nella lavorazione di materiali difficilmente lavorabili (ghise speciali, bachelite, ecc.). Tali caratteristiche si ottengono con l'opportuna scelta del trattamento termico (tempra e rinvenimento a circa 600 °C): le strutture così realizzate sono costituite da una massa martensitica stabile durante il riscaldamento dell'utensile e da cristalli di carburi complessi durissimi che assicurano la resistenza all'usura. Per economizzare gli acciai da utensili ad alto tenore di lega, di difficile realizzazione e perciò molto costosi, si impiegano gli utensili a piastrina riportata, nei quali lo stelo è di acciaio comune e solo l'estremità di lavoro è costituita da una piastrina di acciaio riportato o di carburo metallico.

Acciai indeformabili. Non subiscono praticamente deformazioni geometriche nel corso delle lavorazioni a caldo (matrici per stamgi a caldo), né durante il trattamento termico di tempra, dopo la quale non è generalmente necessaria una lavorazione di finitura. I più utilizzati sono quelli al cromo e al molibdeno.

Acciai inossidabili. Hanno caratteristiche di particolare resistenza agli agenti chimici e atmosferici. Gli elementi di lega più impiegati sono il cromo (con percentuali superiori al 10%) e il nichel. Il molibdeno e il rame contribuiscono a migliorare la resistenza alla corrosione. In base alla microstruttura gli acciai inossidabili - che conobbero il loro sviluppo industriale verso il 1910 in seguito agli studi di Brealy, Giesen, Guillet, Maurer, Monnartz, Portevin, Strauss - possono essere suddivisi in tre categorie:

a) Acciai martensitici, con tenore di carbonio di circa 0,4% e di cromo dal 12 al 16%, impiegati quando alla resistenza alla corrosione devono essere abbinate caratteristiche meccaniche soddisfacenti, come nelle coltellerie e nei dispositivi di alimentazione;

b) Acciai ferritici, con tenore di carbonio inferiore allo 0,3%, e di cromo dal 16 al 30%, dotati di particolare resistenza alla corrosione di alcuni acidi, specie nitrico e acetico. Vengono utilizzati nelle industrie alimentari e per oggetti che non richiedano una durata notevole (utensili da cucina, posaterie);

c) Acciai austenitici, al cromo-nichel, con tenore di carbonio inferiore allo 0,10%, di cromo dal 12 al 25%, di nichel dall'8 al 20% (con aggiunta di molibdeno): la lega-tipo, come già detto per gli acciai al nichel-cromo, contiene il 18% di cromo e l'8% di nichel. Le caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione di questi acciai li hanno resi di corrente impiego nelle forme più diverse (lamiere, pezzi stampati, tubi, barre) in moltissimi tipi di industrie, chimiche, alimentari, aeronautiche, oltreché nell'edilizia, per applicazioni decorative. La deformazione a freddo (laminazione, trafilatura) e la lavorazione meccanica di alcuni di questi acciai richiedono precauzioni particolari per il pericolo di un incrudimento dell'austenite con formazione di una parziale struttura martensitica.

Acciai per cuscinetti. Acciai speciali con tenore di carbonio dell'1% e di cromo del 2%, le cui caratteristiche, dopo tempra e rinvenimento (durezza, resistenza all'usura e alle vibrazioni), sono tali da rendere i pezzi atti a resistere agli attriti volventi: vengono usati per costruire le sfere e le gabbie dei cuscinetti a rotolamento.

Acciai per magneti. Acciai comuni con aggiunta di tungsteno, cromo e soprattutto cobalto (fino al 30%), impiegati per la costruzione di magneti permanenti. Sono generalmente a struttura martensitica che permette di ottenere un alto campo coercitivo e una forte induzione rimanente.

Acciai per molle. Sono caratterizzati da limite di elasticità e carico di rottura elevati; di regola è adoperato l'acciaio duro comune, ma per applicazioni di particolare impiego (forte carico, frequenti sollecitazioni di fatica) si usano acciai contenenti silicio dall'1 al 2%, impiegati dopo tempra e rinvenimento.

Acciai rapidi

Acciai refrattari. Gli elementi di lega caratteristici degli acciai refrattari, cromo e nichel, permettono loro di avere strutture cristalline particolarmente adatte a sopportare alte temperature (resistenza alla corrosione e allo scorrimerito). A seconda della struttura micrografica e della composizione chimica, gli acciai refrattari si suddividono in ferritici e austenitici.

a) Gli acciai ferritici a struttura di martensite, perlite o ferrite, sono generalmente sottoposti a trattamento di bonifica allo scopo di ottenere una precipitazione di fase intermedia, di particolare utilità nella resistenza allo scorrimento. Molibdeno, vanadio, titanio, tungsteno, niobio migliorano la resistenza allo scorrimento (gli acciai al cromo-molibdeno, ad es., si impiegano fino a 650-700 °C). Sono soprattutto impiegati per apparecchi di catalisi, tubi di surriscaldatori, valvole di motori a scoppio, palette di turbine a vapore, particolari fusi e fucinati.

b) Gli acciai austenitici al cromo-nichel hanno, rispetto agli acciai ferritici, una maggiore formabilità e saldabilità, e soprattutto una maggiore resistenza meccanica alle alte temperature. Servono per costruire particolari di apparecchiature termiche (forni, caldaie, surriscaldatori, ricuperatori di calore, crogioli) e soprattutto camere di turboreattori e di turbine a gas.

Produzione dell'acciaio

Fino agli inizi del  XIX sec. la produzione dell'acciaio fu limitata: essenzialmente si trattava il minerale di ferro con carbone di legna, in forni dislocati nei boschi, vicino a piccoli giacimenti. In quegli anni il carbon fossile e quindi il coke entrarono a far parte del processo di fabbricazione dell'acciaio. I primi altiforni erano però di limitata capacità e lo sviluppo della produzione nei principali paesi produttori, Inghilterra, Germania, Francia, fu perciò molto lento per tutta la prima metà del secolo scorso. Nel 1855 l'invenzione del processo Bessemer facilitò l'utilizzazione dei minerali di più difficile fusibilità. Nel 1865 il processo Martin permise l'impiego dei rottami; nel 1878 i metallurgisti Thomas e Gilchrist misero a punto il convertitore basico (che prese il nome di convertitore Thomas), col quale fu possibile anche lo sfruttamento dei giacimenti di minerale di ferro fosforosi, primo fra tutti quello importantissimo della Lorena. La produzione delle ferroleghe e degli acciai speciali ebbe praticamente inizio negli anni successivi alla prima guerra mondiale, quando cominciarono a essere usati i forni elettrici. I grandi capitali e la manodopera necessari alla produzione dell'acciaio giustificano la concentrazione geografica ed economica della produzione stessa. I centri principali si trovano in prossimità delle miniere di carbone o di minerale di ferro, oppure dei porti di arrivo del minerale, o, nel caso delle acciaierie elettriche, delle fonti di energia.

Negli Stati Uniti le maggiori acciaierie si trovano nel bacino carbonifero della Pennsylvania, in prossimità dei giacimenti di minerale di ferro del Lago Superiore (Duluth), e nella regione di Birmingham, all'estremità meridionale degli Appalachi, dove si trovano tanto minerali di ferro quanto minerali di carbone. In Russia le grandi acciaierie sono concentrate nella regione centrale della parte europea (Mosca, Tula ecc.), in una zona degli Urali (Magnitogorsk, Jekaterinburg) e nella zona siberiana.

Nell'Europa occidentale i nuclei più importanti si trovano vicino ai giacimenti di carbone (Germania e Belgio) e di ferro (Francia e Lussemburgo), ai porti di arrivo del minerale di ferro e del carbone (Genova, Piombino, Bagnoli, Taranto) e alle fonti di energia elettrica (Terni).

L'importanza della produzione siderurgica nell'economia mondiale, la necessità di sempre maggiore estensione dei mercati, la concorrenza, le oscillazioni dei prezzi, le crisi economiche hanno portato alla concentrazione della produzione, tanto in senso orizzontale quanto in senso verticale. Questa è infatti quasi sempre nelle mani dello Stato o di trust, di sectiunelli, di consorzi, di gruppi bancari, che stabiliscono la politica di produzione e di mercato. Negli Stati Uniti i due maggiori produttori di acciaio sono la USS (United States Steel) e la BSC (Bethlehem Steel Corporation). Nell'Europa occidentale la produzione dell'acciaio è stata oggetto di precisi accordi al termine della seconda guerra mondiale: nel 1951 è stata creata la CECA (Comunità europea del carbone e dell'acciaio), che comprende i paesi appartenenti all'area del Mercato comune. In Italia la produzione è concentrata principalmente nella Italsider, una delle maggiori società siderurgiche del mondo, a partecipazione statale. La produzione mondiale dell'acciaio, molto irregolarmente ripartita, è passata dai 30 milioni di t nel 1900 agli 80 nel 1914 e ai 120 nel 1929, la massima raggiunta nel periodo compreso fra le due guerre mondiali. Nel corso della seconda guerra mondiale sono stati superati i 200 milioni di t, cifra poi quasi quadruplicata nei decenni successivi. Alla metà degli anni Novanta la produzione mondiale sfiorava i 750 milioni di tonnellate e i maggiori produttori erano la Repubblica popolare cinese (con oltre 100 milioni di t), il Giappone (98,8 milioni di t), gli Stati Uniti (oltre 94,5 milioni di t), la Russia (49,2 milioni di t), la Germania (circa 40 milioni di t). La produzione italiana si aggirava intorno ai 24,2 milioni di t. I paesi grandi produttori sono anche i più forti consumatori, per cui il commercio dell'acciaio non alimenta grosse correnti di traffico come, ad es., il petrolio.

Impiego dell'acciaio nelle arti

Le possibilità della grande carpenteria metallica hanno ispirato a partire dalla seconda metà del secolo scorso tecnici e artisti. Ponti giganteschi e audaci, torri, come la Tour Eiffel, ferrovie sotterranee e sopraelevate, scheletri di imponenti edifici, strutture per capannoni di particolare ampiezza sono stati eretti dappertutto. Le caratteristiche stesse dell'acciaio hanno spinto famosi architetti, come Le Corbusier, artisti, incisori, decoratori, a servirsi di questa lega per realizzare tipiche opere il cui valore artistico ha suscitato vivo interesse; la solidità e la durata dei laminati di acciaio, che attualmente può essere verniciato a freddo con preparati sintetici dalle ottime prestazioni, hanno permesso il suo uso anche nella fabbricazione di lampadari artistici, apparati d'illuminazione, sovrastrutture decorative, pannelli lavorati, oltre che di oggetti di uso domestico. Nell'industria del legno, già dalla fine del   XVIII sec. l'acciaio veniva impiegato nella costruzione di armature per mobili; è però nel Novecento che compaiono, specie per gli uffici, mobili completamente metallici, la cui affermazione ha sviluppato una caratteristica industria di mobili in acciaio, soprattutto in Sa. L'acciaio ha in gran parte sostituito l'argento nelle posaterie e nel vasellame.