La lavorazione a caldo ha richiesto l'acciaio rispetto all'acciaio per utensili per la lavorazione a freddo: qual è quello giusto per me?

Nell'industria manifatturiera, il prodotto viene spesso modellato e assemblato con strumenti in acciaio. Tali strumenti vanno da quelli familiari e non specializzati, come trapani e cacciaviti, ad attrezzature più specializzate come stampi per la fusione del metallo fuso o per formare parti come i pannelli delle automobili (in ingegneria, formatura significa forgiatura o stampaggio). Esistono molti tipi di acciaio per utensili. L'acciaio per utensili per il taglio del metallo viene normalmente scelto da una famiglia chiamata acciai rapidi (HSS), che portano questo nome perché rimangono duri e resistenti all'usura fino a 600 gradi Celsius (C). L'HSS può tagliare i metalli a velocità elevate rispetto agli utensili in acciaio più ordinario, che inizierebbero ad ammorbidirsi al di sopra dei 200 gradi C circa. Una distinzione simile esiste tra i tipi di acciai utilizzati per fondere o formare il metallo. In quelle operazioni, gli ingegneri parlano di acciaio per utensili per lavorazione a caldo e acciaio per utensili per lavorazione a freddo. L'acciaio per utensili per lavorazione a caldo viene utilizzato per matrici che mantengono in posizione metalli fusi come alluminio e zinco finché il liquido non si solidifica o per formare metallo a temperature superiori a 200 gradi C (circa), mentre l'acciaio per utensili per lavorazione a freddo viene utilizzato per formare metallo al di sotto della stessa temperatura. temperatura.

Introduzione

Nell'industria manifatturiera i termini "utensile" e "acciaio per utensili" hanno un significato tecnico speciale. Sono utilizzati per descrivere una parte del macchinario di produzione che entra in contatto con il prodotto e l'acciaio di cui è composta questa parte, se è realizzata in acciaio (come di solito è).

Gli strumenti, così definiti, possono essere utilizzati per scopi di taglio, fusione o formatura.

Taglio è l'azione eseguita da un trapano o dall'utensile a punta singola su un tornio. È anche l'azione eseguita dall'utensile multipunto di una fresatrice o di una lama da sega.

Casting è l'azione di trattenere il metallo fuso, o qualsiasi altro materiale fuso, in posizione finché non si solidifica.

Formatura è l'azione di forgiare, piegare o stampare un pezzo solido, in modo tale che la sua forma venga modificata senza perdita di materiale.

A volte queste azioni vengono combinate, ad esempio, quando una pressa taglia un cerchio in un foglio di metallo e contemporaneamente lo forma sul fondo di una casseruola.

In questo uso tecnico, la macchina che porta l'utensile e i materiali di cui è fatta la macchina che porta l'utensile vengono generalmente indicati separatamente dall'utensile stesso.

La storia degli acciai per utensili

I primissimi acciai per utensili furono probabilmente quelli utilizzati per realizzare strumenti tradizionali come martelli, incudini, coltelli e asce. All'inizio era difficilmente distinguibile dal ferro ordinario prodotto con le tecniche più primitive.

Ma con il passare del tempo, i fabbri tradizionali impararono a modificare le proprietà del ferro per renderlo più duro per alcuni usi e più resistente per altri. Queste forme modificate di ferro divennero le prime vere forme di acciaio.

Agli albori della produzione dell’acciaio, più di tremila anni fa, i fabbri scoprirono che riscaldando il ferro di una certa composizione e poi immergendolo nell’olio o nell’acqua, poteva essere reso più duro che se fosse stato semplicemente lasciato raffreddare naturalmente. Per "una certa composizione" intendo il ferro che conteneva circa l'1% in peso, o giù di lì, di carbonio disciolto quando era allo stato caldo. L'estinzione improvvisa impedirebbe al carbonio di uscire dalla soluzione per formare particelle relativamente grandi di carburo di ferro in una matrice di ferro relativamente puro e dolce. Invece, il processo di spegnimento ha bloccato gli atomi di carbonio in quella che ora era una matrice tesa di ferro e carbonio chiamata martensite, che è più difficile da deformare.

Naturalmente tutta questa chimica all’epoca non era nota. Invece, i fabbri di un tempo lavoravano secondo varie regole pratiche. Nella lingua inglese, ciò dà origine all’espressione “black art”. Il lavoro dei fabbri era un'arte più che una scienza, era sporco e nero in termini fisici, e per di più nessuno sapeva veramente cosa stessero facendo i fabbri. Erano in combutta con i demoni provenienti dall'altrettanto abisso infuocato dell'Inferno? Per tutti questi motivi il lavoro del fabbro era conosciuto come “arte nera”, termine che oggi viene applicato a qualsiasi altro processo altrettanto misterioso.

Immagine di pubblico dominio di un fabbro tradizionale (1606 d.C.) via Wikimedia Commons

Nel corso del tempo l'arte dei fabbri divenne più elaborata e qualificata, pur rimanendo un'arte. Pezzi dell'acciaio più duro verrebbero posizionati dove si troverebbe il bordo di una lama e combinati con pezzi di acciaio più morbido ma più resistente per formare la maggior parte della lama. Un altro metodo di preparazione iniziale prevedeva la precipitazione dei dendriti di carburo in un unico blocco di acciaio. Tuttavia, inizialmente, il composito sarebbe stato poi battuto, riscaldato e piegato molte volte per eliminare impurità e bolle di gas potenzialmente fragili e per formare lame con corpi resistenti e bordi duri. Queste tecniche, che per nome includevano i giapponesi mokume-gane metodo e quello mediorientale Damasco metodo, produceva acciaio con motivi vorticosi che rivelavano la struttura sottostante, soprattutto quando incisi. Tuttavia, c’era poca comprensione scientifica di ciò che stava realmente accadendo, al contrario di una comprensione più intuitiva e artistica.

Una spada giapponese realizzata con la tecnica mokume-gane su uno sfondo di cotta di maglia. Fotografia di 'Dafannin', 12 maggio 1986, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.

Le cose divennero più scientifiche tra la fine del 1700 e l’inizio del 1800. L'emergere della chimica moderna rese chiaro che l'acciaio dell'epoca era una lega, anzi un composito, di ferro e altri elementi; che l'additivo principale era il carbonio; e che il carbonio assumeva forme diverse nell'acciaio dolce, nell'acciaio duro e nella ghisa (dove la concentrazione di carbonio era di circa il XNUMX% in peso).

Aumentando in modo controllato la percentuale di carbonio nell'acciaio, è diventato possibile produrre acciai extra duri, anche se piuttosto fragili, adatti al taglio di altre forme di acciaio. Nascono così i primi acciai per utensili di tipo moderno.

Questi primi acciai per utensili combinavano una matrice prevalentemente martensitica (indurita) con inclusioni aggiuntive di carburo di ferro.

Tuttavia, presentavano lo svantaggio di tendere a rammollirsi al di sopra dei 200 gradi Celsius, e questo limitava la velocità con cui potevano essere utilizzati per tagliare altri acciai.

Nel 1868, l'ingegnere scozzese Robert Mushet, figlio di uno dei primi maestri del ferro a riconoscere l'importanza del carbonio, inventò una forma di acciaio che rimaneva dura a temperature più elevate.

Conosciuta come acciaio Mushet, la nuova lega conteneva non solo le consuete quantità di carbonio ma anche quantità maggiori di manganese e tungsteno. L'acciaio mushet aveva anche la proprietà insolita di non dover essere raffreddato in un liquido. È stato il primo acciaio "indurente all'aria": un acciaio che si induriva a livelli simili alla martensite semplicemente raffreddandosi dal calore rosso in un getto d'aria.

All'inizio del 1900, le proprietà dell'acciaio Mushet furono ulteriormente migliorate dall'ingegnere americano Frederick Winslow Taylor e dai suoi colleghi. Il risultato divenne noto come acciaio ad alta velocità (HSS). L'HSS rimane utilmente duro fino a 500 o addirittura 600 gradi Celsius: da qui il suo nome, poiché può essere utilizzato per tagliare altri acciai a velocità ancora più elevate rispetto all'acciaio Mushet. Insieme al ferro e al carbonio comuni a tutti i tipi di acciaio, la maggior parte delle leghe HSS continuano a includere grandi quantità di tungsteno e cromo, che ha sostituito il manganese della formulazione iniziale di Mushet.

Al giorno d'oggi, le punte in metallo duro vengono spesso utilizzate per le applicazioni di taglio dei metalli più impegnative, sebbene gli acciai rapidi rimangano il materiale preferito per la produzione di lame per seghe e punte elicoidali, per le quali l'inserimento di punte in metallo duro sarebbe normalmente poco pratico, soprattutto nei diametri più piccoli e nelle qualità dei denti più fini.

Ma per quanto riguarda Casting e Forming?

Finora ho descritto i miglioramenti apportati agli acciai per utensili utilizzati per il taglio, dalle prime lame fino ai moderni utensili industriali HSS. Tuttavia, la moderna distinzione tra acciaio per utensili per lavorazione a freddo e acciaio per utensili per lavorazione a caldo si applica realmente agli acciai utilizzati per la fusione e la formatura.

Gli acciai per lavorazioni a caldo vengono utilizzati per processi in cui la temperatura dell'utensile supera i 200 gradi Celsius (392 gradi Fahrenheit).

Gli acciai per utensili per lavorazione a freddo vengono utilizzati per processi in cui la temperatura dell'utensile rimane inferiore a 200 gradi Celsius.

La linea di demarcazione dei 200 gradi Celsius non è assolutamente netta e precisa, dato che esistono molte leghe diverse con proprietà diverse, ma è una linea di demarcazione convenzionale a cui si fa ampio riferimento in letteratura.

Con tutte le forme di acciaio per utensili, le principali cause di rottura sono la rottura, la deformazione (in particolare la deformazione permanente o "plastica"), l'usura superficiale e lo sviluppo di cricche da fatica superficiale causate da sollecitazioni cicliche. Le sollecitazioni cicliche sono di origine sia meccanica che termica; le sollecitazioni termiche sono un problema particolarmente serio per gli acciai per utensili per lavorazioni a caldo.

Acciai per utensili per lavorazioni a freddo

Gli acciai per utensili per lavorazioni a freddo sono generalmente acciai ad alto contenuto di carbonio, contenenti tipicamente circa l'1-1,5% di carbonio in peso. I tipi più comuni sono i gradi a bassa lega temprati in olio, i gradi a media lega temprati in aria e i gradi ad alto contenuto di carbonio e alto contenuto di cromo.

I gradi bassolegati indurenti in olio sono i più economici. A parte il fatto che contengono meno impurità, per il resto sono molto simili alle forme antiquate di acciaio per utensili utilizzate prima dell'acciaio Mushet.

Le leghe medie temprate in aria induriscono con meno distorsioni rispetto agli acciai che devono essere temprati. Possono anche essere temprati in sezioni più spesse rispetto all'acciaio temprato in olio, fino a 100 millimetri o più.

I gradi ad alto contenuto di carbonio e alto contenuto di cromo, che vengono induriti mediante tempra in olio o in aria a seconda della loro esatta composizione, sono i più resistenti all'usura.

Gli acciai per utensili per lavorazione a freddo sono generalmente utilizzati per una moltitudine di usi industriali quotidiani, tra cui:

• Pressofusione di materie plastiche
• Stampi per la sagomatura di pannelli metallici sottili come i pannelli curvi della carrozzeria delle automobili
• Mandrini e centri per tornio
• rulli
• Matrici per rullatura per filettature e godronature
• Brocce, alesatori, maschi e mandrini
• Ruote e supporti per lavorazione filo e tubi freddi
• Cesoie, lame e altri utensili da taglio, per applicazioni in cui il taglio è breve e viene generato poco calore
• Indicatori
• Stampi per tranciatura, imbutitura e foratura

Acciai per utensili per lavorazioni a caldo

Come l'acciaio Mushet e i primi acciai rapidi, gli acciai per utensili per lavorazione a caldo hanno tradizionalmente incluso grandi quantità di tungsteno come elemento legante. Tuttavia, ci sono anche acciai per utensili per lavorazione a caldo che hanno il cromo come principale elemento legante e altri gradi che hanno il molibdeno come principale elemento legante.

Insieme al taglio e alla foratura dei metalli ad alta velocità, gli acciai per utensili per lavorazioni a caldo vengono generalmente utilizzati per:

• Pressofusione di metalli
• Estrusione
• Forgiatura
• Produzione di prodotti in vetro

Selezione dei materiali per la fusione

I processi di fusione per i quali viene utilizzato l'acciaio per utensili sono chiamati pressofusione, in cui lo strumento funge da stampo, conferendo una forma dettagliata o relativamente precisa all'articolo finale in modi più fedeli e ripetibili di quanto sia possibile con la fusione in stampi di sabbia.

La pressofusione probabilmente ha avuto origine con la fusione di lettere per caratteri mobili nel 1400 d.C., in stampi aperti a forma di ciascuna lettera. In senso moderno, il metallo viene iniettato sotto pressione in uno stampo formato da due utensili contrapposti, che riempie con precisione.

Gli utensili per stampi per plastica sono comunemente realizzati con gradi speciali di acciaio per lavorazioni a freddo noti come acciai P, alluminio o leghe berillio-rame. I vantaggi del rame e dell'alluminio, per questo utilizzo, includono una conduttività termica molto più elevata e di conseguenza un raffreddamento più rapido e uniforme rispetto all'acciaio.

D'altro canto, gli stampi in acciaio durano più a lungo (fino a milioni di cicli) e possono resistere meglio all'erosione da parte di getti di plastica in rapido movimento, soprattutto se contengono rinforzi compositi abrasivi come la fibra di vetro. Anche alcune finiture superficiali possono essere ottenute in modo affidabile solo con l’acciaio.

Selezione dei materiali per i processi di formatura

I processi di formatura dei metalli per i quali viene utilizzato acciaio per utensili per lavorazione a freddo generalmente non comportano un grado molto elevato di deformazione complessiva del metallo. L'applicazione di filettature sulla superficie di un'asta mediante laminazione o la pressatura di una lamiera piana nelle curve complesse di un pannello di carrozzeria di un'automobile sono tipici dei processi di formatura a freddo in questo senso.

Profilatura a freddo di una filettatura. Grafica di 'Tosaka', 12 ottobre 2009, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

I processi di lavorazione a freddo spesso apportano alcuni miglioramenti alla qualità del metallo attraverso il riorientamento della struttura cristallina del metallo indurimento del lavoro, sebbene l'effetto sulla struttura cristallina sia solitamente limitato alla superficie e meno drammatico rispetto al caso della forgiatura, di cui parlerò nella sezione successiva.

Tutti i processi più drastici di formatura dei metalli comportano lavorazioni a caldo (superiori a 200 gradi Celsius). Come notato, questi includono:

• Estrusione e
• Forgiatura

Come abbiamo anche accennato, la realizzazione di articoli in vetro è un'altra importante applicazione per l'acciaio per utensili per lavorazione a caldo.

Estrusione è il processo mediante il quale un materiale riscaldato e ammorbidito viene spinto attraverso uno stampo per formare un lungo articolo con profilo in sezione trasversale costante. Gli esempi più familiari di articoli estrusi sono i profilati in plastica e alluminio, che possono avere forme piuttosto complicate. Le sezioni in plastica possono essere estruse tramite matrici in acciaio per utensili per lavorazione a freddo, ma le sezioni in alluminio devono essere estruse tramite matrici in acciaio per utensili per lavorazione a caldo.

Una categoria speciale di estrusione è l'estrusione ribaltata, utilizzata per formare oggetti come il corpo di lattine di alluminio e tubi di pillole. Con l'estrusione ribaltata, una matrice viene spinta verso il basso in un pezzo di metallo grezzo che poi scorre all'indietro attorno alla matrice per formare la lattina o il tubo. È davvero straordinario che con questo metodo si possano formare barattoli e tubi con pareti così sottili ma uniformi.

Anche i tubi senza saldatura vengono prodotti mediante estrusione. Una billetta solida viene riscaldata e poi forata al centro. Viene quindi posizionato su un mandrino e gli vengono date le dimensioni finali e lo spessore della parete mediante estrusione.

Forgiatura è il processo mediante il quale un pezzo di metallo caldo, spesso rovente, viene martellato nella sua forma finale da un martello industriale, con solo piccole operazioni di lavorazione (taglio) da seguire. Un buon esempio di un prodotto solitamente realizzato mediante forgiatura è una chiave inglese. Il martello può essere azionato meccanicamente in entrambe le direzioni, oppure può essere sollevato meccanicamente e lasciato cadere per gravità ("forgiatura a caduta").

Forgiatura di pneumatici in acciaio per ruote di treni ferroviari. fotografato da Rainer Halama, 19 June 2010, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

La forgiatura è un diretto discendente industriale delle tecniche di fabbro più antiche come il mokume-gane e il Damasco. Ha un effetto simile, cioè quello di provocare la dispersione e la chiusura delle impurità vetrose e delle bolle di gas, e dei grandi cristalli o "grani" che di solito si trovano all'interno del metallo appena fuso - simili ai lustrini su una recinzione di ferro zincato , essi stessi una sorta di cristallo metallico – da scomporre e sostituire con altri più piccoli e, in molti casi, anche da deformare nella direzione delle curve esterne della forma finale.

Come ci si potrebbe aspettare, una struttura a grana fine è superiore a una struttura a grana grossa; e una struttura a grana fine in cui i grani seguono anche la forma del prodotto migliora ulteriormente le proprietà meccaniche dell'articolo finale, rendendo molto meno probabile che l'articolo si rompa in un angolo sotto carichi pesanti che altrimenti.

C'è un'ottima illustrazione dei cristalli che seguono la forma sul sito web di dropforging.net. Sono evidenti le somiglianze essenziali con i prodotti dei fabbri più abili dei tempi passati, tranne per il fatto che in questo caso il risultato è un articolo industriale piuttosto che una spada.

Molti degli articoli meccanici più 'seri', oggetti che sopportano carichi pesanti e che se si rompessero avrebbero conseguenze gravi o comunque molto fastidiose, sono forgiati. Sono articoli forgiati, oltre alle chiavi inglesi, che potrebbero spezzarsi nei punti di massimo sforzo, vicino al dado, se realizzate con altro metodo, gli alberi a gomiti dei motori e le bielle che uniscono i pistoni all'albero a gomiti, sebbene i pistoni stessi di solito vengono espressi. (I pistoni forgiati, tuttavia, vengono utilizzati nei motori da corsa e stanno diventando sempre più popolari nell'uso generale).

Esistono due tipi principali di forgiatura: forgiatura aperta e forgiatura a stampo chiuso. La forgiatura aperta conferisce al metallo una forma grezza e ne migliora la struttura interna generale, ma non conferisce altrimenti alcuna forma o disegno di grana particolarmente definito. La forgiatura a stampo chiuso produce forme e venature più definite.