SOMMARIO
Gli acciai microlegati HSLA (high strength low alloys) sono acciai che coniugano basso costo ad elevate caratteristiche meccaniche, esibendo alte resistenze meccaniche (σr=450÷700 MPa ), buona duttilità e basse temperature di transizione duttile-fragile
(T=-150÷-50°C ). Tali proprietà si ottengono grazie a piccole aggiunte di alcuni elementi formatori di carburi e nitruri (Ti, Nb, V) e ad un attento controllo della sequenza tempo-deformazione-temperatura durante il loro processamento termomeccanico, denominato laminazione in controllo.
Nella produzione per laminazione di prodotti lunghi o piani di grossa sezione si presentano, però, problemi per l’ottenimento di questi risultati, principalmente a causa delle inevitabili disomogeneità strutturali tra superficie e cuore dei prodotti. L’ottima combinazione resistenza-tenacità si ottiene in gran parte grazie ad un affinamento del grano ferritico molto spinto. Di recente, alcuni studi sperimentali hanno suggerito la possibilità di ottenere l’affinamento del grano per nucleazione di ferrite intragranulare sulle superfici di particelle di nitruri/carbonitruri di vanadio in qualità di potente nucleante dei grani ferritici. Un tale meccanismo di nucleazione potrebbe spingere ancor più l’affinamento del grano, così come permettere un significativo affinamento anche nelle regioni al cuore di prodotti spessi.
In questo lavoro si sono quindi condotte analisi microstrutturali su profilati industriali realizzati con tre diverse varianti di acciaio Fe 430 in termini di composizione chimica. Accanto ad una prima formulazione base di tale acciaio, contenente solo piccole aggiunte di Ti in qualità di controllore del grano austenitico ad alte temperature, si sono considerate due varianti con tenori differenti di vanadio e azoto.
Questi profilati si sono inoltre prodotti seguendo due diversi trattamenti termomeccanici, variati essenzialmente dopo passaggio al laminatoio finitore: in un
caso si è proseguito con il normale raffreddamento fino a temperatura ambiente (laminazione denominata standard), in un altro caso si è realizzato un isolamento termico per ridurre l’iniziale velocità di raffreddamento, al fine di favorire la precipitazione di particelle di VN-V(C, N) (laminazione denominata hold) ad alta temperatura. I campioni così ottenuti, per un totale di sei combinazioni, sono stati sottoposti alle usuali prove meccaniche industriali (prove di trazione e di resilienza) e all’analisi microstrutturale mediante microscopia ottica ed elettronica (TEM). Dalle distribuzioni delle dimensioni dei grani ferritici nei vari prodotti si è evidenziato un affinamento del grano negli acciai a più alto contenuto di vanadio ed azoto rispetto all’acciaio di riferimento, passando da 12.9 µm nel prodotto “standard” a 9.6 µm nella variante contenente V. Tuttavia tale affinamento non era tale da giustificare i notevoli incrementi resistenziali osservati. Si sono ottenuti infatti incrementi anche di 100 MPa per il carico di snervamento e di almeno 80 MPa per il carico di rottura, senza peraltro registrare drammatiche riduzioni della resilienza (riduzioni di circa 15-20 J alla temperatura di 20 ˚C). E’ stato allora prescelto l’acciaio a più alto contenuto di vanadio ed azoto ed è stato sottoposto all’analisi al TEM, condotta sia su lamine sottili sia su repliche ad estrazione in carbonio, allo scopo di evidenziare quali potessero essere gli ulteriori effetti di rafforzamento strutturale. Da tale analisi è emersa la massiccia presenza di precipitati contenenti vanadio di dimensioni nanometriche, peraltro coerenti con la matrice ferritica. Si è quindi concluso che gli elevati incrementi resistenziali nelle varianti Fe 430 ricche di V e N, siano da attribuire in gran parte all’indurimento per precipitazione. Sebbene l’analisi al TEM abbia evidenziato nucleazioni di ferrite intragranulare sulle superfici di inclusioni micrometriche di solfuri ed ossidi, non è stato evidente un ruolo giocato in tal senso dai precipitati di nitruro/carbonitruro di vanadio precipitati dopo laminazione al finitore. Sono quindi state condotte delle prove per
verificare la possibilità di ottenere i medesimi risultati per i prodotti piani di grosso spessore.
A tale scopo, la RIVA ACCIAI s.p.a. ha realizzato una colata di acciaio a basso carbonio ricco di vanadio e azoto. Sono state condotte due diverse sequenze Temperatura-Tempo-Deformazione, entrambe realizzabili per i prodotti piani, utilizzando un simulatore siderurgico Gleeble 3800.
Dalle misure delle dimensioni del grano ferritico medio sui vari campioni non si sono evidenziate, anche in questo caso, variazioni tali da giustificare le forti variazioni resistenziali (valori di carico di snervamento fino a 446 MPa e di rottura fino a 654 MPa). In corrispondenza di tali incrementi, peraltro, le resilienze si sono mantenute su valori accettabili fino a -20˚C. Anche in questo caso, quindi, si è concluso circa il ruolo preponderante giocato da una precipitazione indurente di carburi/carbonitruri di vanadio nella matrice ferritica.
Mediante un opportuno controllo del raffreddamento dei prodotti dopo laminazione in temperatura al finitore è possibile ottenere forti incrementi resistenziali, ma tale risultato non si è dimostrato frutto di una nucleazione intragranulare di ferrite sui carburi/carbonitruri di V, bensì in buona parte dovuto ad una massiccia precipitazione di V(C, N) coerenti nella matrice ferritica.
