Manganese: disossidazione, desolforazione e rafforzamento
Il manganese è uno degli elementi di lega più utilizzati nell'acciaio perché svolge diversi compiti contemporaneamente: è un buon disossidante e desolforante ed è un rinforzante economico. L'acciaio generalmente contiene una certa quantità di manganese, che elimina o indebolisce la fragilità a caldo causata dallo zolfo e quindi migliora la lavorabilità a caldo.
Il meccanismo è una differenza di affinità chimica. Il manganese si combina con lo zolfo più facilmente del ferro, formando solfuro di manganese anziché solfuro di ferro. Le pellicole di solfuro di ferro ai bordi dei grani sono la classica causa di brevità a caldo durante la laminazione e la forgiatura, quindi mantenere lo zolfo legato mentre il solfuro di manganese protegge il materiale attraverso l'intervallo di lavorazione a caldo.
Come il manganese cambia la struttura dell'acciaio
La soluzione solida che il manganese forma con il ferro aumenta la durezza e la resistenza sia della ferrite che dell'austenite. Il manganese forma anche carburi e può entrare nella cementite, sostituendo alcuni atomi di ferro. La sua presenza abbassa le temperature critiche di trasformazione e affina la perlite, il che aumenta indirettamente la resistenza dell'acciaio perlitico. Il manganese stabilizza l'austenite, secondo solo al nichel, e aumenta notevolmente la temprabilità, motivo per cui molti acciai legati sono costruiti attorno a contenuti di manganese non superiori al 2% insieme ad altri elementi.
Il manganese è abbondante e versatile, quindi appare quasi ovunque: negli acciai strutturali semplici al carbonio e negli acciai per molle che presentano un contenuto di manganese relativamente elevato, come il tipo 60Si2Mn specificato in GB/T 1222. In questi gradi il manganese contribuisce sia alla resistenza che alla temprabilità necessarie per indurire completamente una sezione durante la tempra.
Acciaio ad alta-usura al manganese-resistente
Nell'acciaio ad alto-carbonio e ad alto-manganese resistente all'usura-il contenuto di manganese può raggiungere dal 10% al 14%. Dopo il trattamento di solubilizzazione la struttura risulta austenitica e tenace, con buona duttilità. Quando la superficie viene deformata dall'impatto, lo strato deformato-si indurisce e sviluppa un'elevata resistenza all'abrasione mentre l'interno rimane sufficientemente robusto da assorbire ulteriori impatti. I getti di questa famiglia sono specificati nella norma ASTM A128, che copre i getti di acciaio austenitico al manganese.
Si applicano due precauzioni laddove il manganese viene utilizzato a livelli più elevati. Il manganese aumenta la tendenza dell'acciaio all'ingrossamento del grano e alla fragilità della tempera. Inoltre, rende l'acciaio sensibile all'idrogeno: se il raffreddamento dopo la fusione, la colata o la forgiatura non è adeguatamente controllato, all'interno dell'acciaio possono svilupparsi macchie o scaglie bianche, motivo per cui il controllo del processo relativo al raffreddamento e al contenuto di idrogeno è importante tanto quanto l'analisi stessa.
Alluminio: disossidazione, affinamento del grano e nitrurazione
L'alluminio viene utilizzato principalmente per la disossidazione e l'affinamento del grano. Negli acciai da nitrurazione promuove la formazione di uno strato nitrurato duro e resistente alla corrosione, motivo per cui i gradi di nitrurazione contenenti alluminio come 38CrMoAl vengono scelti per componenti che necessitano di una superficie molto dura e resistente all'usura su un nucleo tenace. L'alluminio inibisce inoltre l'invecchiamento dell'acciaio a basso-carbonio combinandosi con l'azoto e migliora la tenacità alle basse temperature.
A contenuti più elevati, l'alluminio migliora la resistenza all'ossidazione dell'acciaio e la sua resistenza all'attacco di acidi ossidanti e ambienti contenenti idrogeno solforato, e migliora le proprietà elettriche e magnetiche dell'acciaio, in particolare negli acciai elettrici a grani-orientati. Nell'acciaio in generale, l'alluminio ha un forte effetto rinforzante della soluzione solida e nelle parti cementate migliora la resistenza all'usura, la resistenza alla fatica e le proprietà meccaniche del nucleo.
Nelle leghe resistenti al calore-, l'alluminio e il nichel formano composti intermetallici che aumentano la resistenza alle alte-temperature. Le leghe di ferro-cromo-alluminio che contengono alluminio mostrano una resistenza elettrica quasi-costante insieme a un'eccellente resistenza all'ossidazione alle alte-temperature, motivo per cui questa famiglia viene utilizzata per resistenze ed elementi riscaldanti.
Intervalli di alluminio in eccesso e contenuto tipico
L'alluminio è vantaggioso solo entro certi limiti e i limiti sono specifici del processo-piuttosto che universali. Se durante la disossidazione viene utilizzato troppo alluminio, l'acciaio sviluppa strutture anomale e mostra una tendenza alla grafitizzazione. Negli acciai ferritici e perlitici un elevato contenuto di alluminio riduce la resistenza alle alte-temperature e la tenacità e comporta difficoltà pratiche nella fusione e nel versamento, poiché le inclusioni di allumina aumentano la viscosità del fuso e possono bloccare gli ugelli.
| Elemento e applicazione | Contenuto tipico | Funzione principale |
|---|---|---|
| Manganese, acciaio strutturale al carbonio | 0.3–1.5% | Disossidazione, desolforazione, rafforzamento di soluzioni solide |
| Manganese, acciaio legato con altri elementi | fino al 2% | Temprabilità, stabilizzazione dell'austenite, affinamento della perlite |
| Acciaio al manganese e resistente all'usura-secondo ASTM A128 | 10–14% | Resistenza all'usura austenitica-da incrudimento con nucleo tenace |
| Alluminio, disossidazione dell'acciaio calmato | 0.02–0.06% | Disossidazione e affinamento del grano come nitruro di alluminio |
| Alluminio, acciaio da nitrurazione | 0.7–1.1% | Custodia nitrurata dura e resistente alla corrosione- |
| Leghe di alluminio, Fe-resistenti al calore Fe-Cr-Al | 4.5–6% | Resistenza all'ossidazione con resistenza elettrica stabile |
Letti come gruppo, questi intervalli mostrano perché i due elementi vengono solitamente specificati insieme e controllati separatamente. Il manganese viene aggiunto per la struttura e la pulizia, l'alluminio per la disossidazione e le prestazioni superficiali, e i limiti superiori di entrambi sono fissati dai difetti che compaiono quando l'aggiunta viene spinta troppo oltre.
La verifica in pratica si basa sull'analisi chimica di ciascun calore per manganese, alluminio, zolfo e azoto, a seconda dei casi, combinata con l'esame metallografico per il tipo di inclusione e la dimensione dei grani e con misure di controllo dell'idrogeno laddove vengono prodotti gradi di manganese ad alto- grado.
Domande frequenti
D: Perché il manganese viene aggiunto all'acciaio?
Agisce come disossidante e desolforante, previene la fragilità a caldo formando solfuro di manganese invece di solfuro di ferro e rinforza ferrite e austenite mediante indurimento in soluzione solida.
D: Cosa succede se il livello di manganese è troppo basso per lo zolfo presente?
Lo zolfo rimane in grado di formare solfuro di ferro ai bordi del grano, che provoca brevità a caldo durante la laminazione o la forgiatura; un manganese adeguato mantiene lo zolfo combinato come solfuro di manganese.
D: Perché l'acciaio ad alto-manganese si indurisce sotto l'impatto?
Mantiene una struttura austenitica tenace dopo il trattamento di solubilizzazione e la deformazione dello strato superficiale-lo indurisce, quindi la resistenza all'abrasione aumenta mentre l'interno rimane duttile.
D: Perché il contenuto di alluminio nell'acciaio viene mantenuto basso?
L'alluminio in eccesso produce strutture anomale e una tendenza alla grafitizzazione, riduce la resistenza alle alte-temperature e la tenacità degli acciai ferritici e perlitici e genera inclusioni di allumina che disturbano la fusione e il versamento.
D: Perché l'alluminio viene utilizzato nella nitrurazione degli acciai?
L'alluminio forma nitruri duri durante la nitrurazione, creando un involucro duro e resistente alla corrosione-su un nucleo resistente, che è la base dei gradi di nitrurazione dell'alluminio-come il 38CrMoAl.
D: L'alluminio migliora la resistenza alla corrosione?
A contenuti più elevati migliora la resistenza all'ossidazione e all'attacco negli acidi ossidanti e negli ambienti di idrogeno solforato e contribuisce alla resistenza all'ossidazione delle leghe resistenti all'ossidazione di ferro-cromo-alluminio.
