Che cos’è l’acciaio 1018? Proprietà, composizione, applicazioni e guida alla scelta tecnica

Quando gli ingegneri e i produttori hanno bisogno di un materiale prevedibile, economico e compatibile con qualsiasi altro materiale, di solito scelgono l’acciaio 1018. Il 1018 è un acciaio a basso tenore di carbonio (spesso denominato “acciaio dolce”). Non viene scelto perché possiede una proprietà eccezionale che lo contraddistingue, ma perché offre un buon equilibrio tra lavorabilità, saldabilità e uniformità meccanica, in grado di soddisfare un’ampia gamma di esigenze industriali.

Per quanto riguarda la produzione, l'acciaio al carbonio 1018 si presta bene alla lavorazione CNC, alla foratura, alla tornitura e alla fresatura. Ha un basso tenore di carbonio, il che significa che i trucioli si formano in modo stabile, gli utensili si consumano meno rapidamente e la finitura superficiale è buona senza bisogno di utensili speciali o impostazioni di taglio aggressive. Allo stesso tempo, è facilmente saldabile con metodi comuni come MIG e TIG, quindi può essere utilizzato per assemblaggi, telai e parti che devono essere unite dopo la lavorazione.

È importante ricordare che il 1018 non è una scelta “generica” o casuale del materiale. Gli ingegneri lo scelgono appositamente quando non hanno bisogno di elevata resistenza, durezza estrema o prestazioni avanzate della lega. L’acciaio 1018 è più indicato per alberi, staffe, piastre e parti strutturali in cui il controllo dei costi, l’uniformità dimensionale e l’efficienza produttiva sono più importanti delle proprietà meccaniche di picco.

Questa guida esamina l'acciaio 1018 da tre diversi punti di vista: le caratteristiche fondamentali del materiale, il suo comportamento durante la lavorazione e i motivi alla base della sua scelta nei progetti ingegneristici. Ciò aiuterà progettisti, ingegneri e team addetti agli acquisti a comprendere non solo di cosa si tratta, ma anche quando e perché è opportuno utilizzarlo.

Che cos’è l’acciaio 1018? — Norme e definizioni relative alle qualità

Il tipo di acciaio laminato a freddo più diffuso al mondo è l'acciaio 1018. Il sistema di classificazione degli acciai al carbonio AISI/SAE ne fornisce una definizione.

• “10”: Ciò significa che l'acciaio è un acciaio al carbonio semplice e non contiene elementi di lega significativi.

• “18” significa che il tenore di carbonio è pari a circa 0,18%.

Il 1018 è sicuramente un acciaio dolce, poiché presenta un contenuto di carbonio molto basso. Nel campo dell’ingegneria, il termine “acciaio dolce” non è sinonimo di bassa qualità. Si riferisce invece ad acciai realizzati per mantenere duttilità, formabilità e saldabilità, caratteristiche che non si riscontrano nei tipi ad alto tenore di carbonio, che sono invece fragili.

Standard globali e loro equivalenti

Il 1018 è simile a questi standard relativi all'approvvigionamento internazionale:

• UNS: G10180

• ASTM: A108 (Norma relativa alle barre di acciaio lavorate a freddo, al carbonio e legate)

• EN / DIN: C15E / 1,1141

• JIS: S15C o S20C

Approfondimento ingegneristico: Il 1018 si differenzia dai tipi di acciaio da costruzione come l’A36 in quanto è caratterizzato dal suo limite di snervamento. Ciò rende più facile la lavorazione di pezzi con tolleranze strette, poiché il suo comportamento è più stabile e prevedibile.

La composizione chimica dell'acciaio 1018 e il suo significato per l'ingegneria

Per capire perché il 1018 si comporta in questo modo, è necessario conoscere la chimica. È necessario un processo chimico “puro”, con poche impurità, per garantire che la lavorazione sia sempre la stessa.

Tabella 1: Composizione chimica tipica (wt%)

Perché è importante avere un basso contenuto di carbonio

Il tenore di carbonio 0.18% rappresenta il punto di equilibrio ideale per la maggior parte dei settori manifatturieri:

• Ottimo per la saldatura: Un basso tenore di carbonio riduce la probabilità che si formi martensite fragile nella zona termicamente alterata (HAZ), pertanto non è necessario effettuare il preriscaldamento.

• È ancora sufficientemente duttile da poter essere piegato, laminato o ricalcato senza rompersi.

• Potenziale di cementazione: Non può essere temprato a tutto spessore (tempra e rinvenimento), ma è un ottimo candidato per la cementazione, che crea un guscio esterno duro e resistente all’usura, mantenendo al contempo un nucleo tenace.

Che cos’è la microstruttura ferrite-perlite?

La microstruttura dell'acciaio 1018 è il modo migliore per comprenderne il comportamento dal punto di vista ingegneristico.
A temperatura ambiente, il 1018 è composto dai seguenti elementi:

• Ferrita: (I granelli chiari) Ferro puro. È morbido, flessibile e magnetico. Costituisce la maggior parte della matrice.

• Perlite: (i granelli scuri) Strati di cementite (carburo di ferro) e ferrite. È questo che gli conferisce resistenza.

La perlite è presente in quantità limitata perché il tenore di carbonio è basso. Questa struttura, costituita prevalentemente da ferrite, spiega perché il 1018 è

• A taglio libero: La ferrite morbida favorisce la formazione di schegge.

• Non è fragile: Anziché allargarsi, le crepe tendono ad attenuarsi nella ferrite morbida.

Disegnare al freddo vs. rotolarsi al caldo

Il metodo di lavorazione influisce sul funzionamento della struttura granulare:

• 1018 laminato a caldo: I granelli sono tutti della stessa dimensione (casuale). Meno stress, ma maggiore margine di errore nelle dimensioni.

• 1018 trafilato a freddo: I grani si allungano nella direzione di trafilatura. Questo incrudimento rende il limite di snervamento e la durezza superficiale molto più elevati e garantisce una maggiore precisione dimensionale (rettilineità e diametro). Le barre trafilate a freddo sono quelle più comunemente utilizzate per la lavorazione meccanica.

Proprietà fisiche dell'acciaio 1018

Gli ingegneri non scelgono spesso il 1018 per lavori che lo sottopongono a sollecitazioni elevate. Viene scelto perché è affidabile in lavori con sollecitazioni da basse a medie.

Valori tipici delle proprietà meccaniche (trascinati a freddo)

Tabella 2: Proprietà meccaniche

Aspetto importante della progettazione: La trafilatura a freddo rende il limite di snervamento del 50% quasi superiore rispetto alla laminazione a caldo. Specificare sempre il 1018 “Cold Finished” (CF) se si sta realizzando un albero che deve essere resistente alla flessione.

Caratteristiche fisiche

• Densità: 7,87 g/cm³

• Modulo di elasticità: 200 GPa (29.000 ksi). È bene tenere presente che il 1018 presenta una rigidità pari a quella degli acciai legati ad alta resistenza. Modificare la forma dell’acciaio non ridurrà la deflessione; solo l’uso di un acciaio più resistente potrà farlo.

Quanto è facile da lavorare e come funziona con CNC

Molti ritengono che il 1018 sia uno degli acciai più facili da lavorare. È proprio l’acciaio con cui la maggior parte delle persone confronta gli altri acciai.

Perché il 1018 è facile da lavorare

• Formazione stabile dei chip: La struttura ferrite-perlite fa sì che i trucioli si spezzino abbastanza bene, ma possono risultare “gommosi” rispetto agli acciai al piombo come il 12L14.

• Non abrasivo: in modo da non consumare rapidamente gli utensili. Gli utensili standard in acciaio rapido (HSS) o in carburo non rivestito hanno una lunga durata.

• Coerenza: A differenza dell’A36, questa qualità è definita chimicamente, quindi gli operatori non incontrano “punti duri” nel materiale.

Linee guida per la lavorazione CNC

• Tornitura: Funziona bene a velocità medie. Se la finitura si strappa perché è troppo appiccicosa, aumentare la velocità superficiale (SFM) e assicurarsi che il raggio della punta dell'utensile sia affilato.

• Perforazione: Si fora con estrema facilità. Per i fori profondi, è consigliabile ricorrere alla tecnica del “peck drilling” per eliminare i trucioli che continuano a formarsi.

• Liquido di raffreddamento: È sufficiente un normale refrigerante idrosolubile per contenere il calore e rimuovere i trucioli.

Stabilità delle dimensioni - Nota: L'acciaio 1018 trafilato a freddo presenta tensioni residue dovute al processo di trafilatura. Se si realizza una scanalatura per chiavetta su un albero lungo, quest'ultimo potrebbe piegarsi quando le tensioni si allentano. Per gli alberi che richiedono una precisione elevata, è consigliabile utilizzare materiale sottoposto a distensione o ricorrere alla tornitura tra i centri.

Aspetti da considerare durante la saldatura e la realizzazione

Il 1018 è il “migliore amico del saldatore”. Alcuni sostengono che sia l’acciaio al carbonio più saldabile presente sul mercato.

Perché si lega così bene

Il basso tenore di carbonio (<0,20%) impedisce che nella zona di saldatura si formi martensite dura e fragile durante il raffreddamento del metallo.

• Preriscaldare: Di solito non è necessario per i pezzi di spessore inferiore a 2 pollici.

• Non necessario: Trattamento termico post-saldatura (PWHT).

• Processi: Funziona alla perfezione per la saldatura MIG (GMAW), TIG (GTAW), a elettrodo rivestito (SMAW) e ossiacetilenica.

Consigli per preparare

• Piegatura: È più difficile piegare l'acciaio 1018 trafilato a freddo rispetto a quello laminato a caldo. Utilizzate materiale laminato a caldo o ricotto per evitare che il raggio esterno si incaschi quando è necessario eseguire piegature con raggio stretto.

• La saldatura genera calore, il che ne modifica la forma. Una saldatura pesante su un lato di una lamiera può causarne la deformazione, poiché l’acciaio 1018 viene spesso utilizzato in configurazioni che non consentono lo scarico delle tensioni.

Diversi metodi di trattamento termico dell'acciaio 1018

Il 1018 non può essere “temprato” nel modo consueto (tramite tempra e rinvenimento) per ottenere un nucleo resistente, ma è il materiale migliore per la tempra superficiale.

Carbocementazione (indurimento superficiale)

Il 1018 non contiene una quantità sufficiente di carbonio per indurirsi autonomamente, pertanto è necessario aggiungere carbonio alla superficie.

1. Processo: Riscaldare il pezzo in un’atmosfera ricca di carbonio. Il carbonio si diffonde nello strato esterno della custodia.

2. Templa: Raffreddare rapidamente il pezzo. L'involucro, che contiene molto carbonio, diventa molto duro (Rc 55-60), mentre il nucleo, che ne contiene meno, rimane tenace e flessibile.

Utilizzo: Ingranaggi, perni e piastre antiusura, in cui una superficie dura resiste all’usura e un’anima resistente impedisce che il componente si rompa in caso di urto.

Normalizzazione vs. ricottura

• Ricottura: In questo modo l'acciaio diventa il più malleabile possibile per la lavorazione.

• Normalizzazione: Rende la struttura del grano più uniforme affinandola. Questa operazione viene spesso eseguita sui pezzi forgiati 1018 per garantire che la lavorazione sia sempre la stessa.

Usi comuni dell'acciaio 1018 nel settore manifatturiero

Il 1018 è il “jolly” dei metalli.

• Alberi e perni Questi sono gli impieghi più comuni delle barre in acciaio 1018 trafilate a freddo: alberi per pompe, motori e perni di posizionamento.

• Attrezzature e maschere: Questi vengono utilizzati molto spesso nelle officine meccaniche per realizzare piastre di base, morsetti e blocchi di posizionamento.

• Bulloni a bassa resistenza, i perni e i tiranti sono esempi di elementi di fissaggio.

• Staffe strutturali: Staffe di montaggio saldate tra loro per macchinari.

• Parti cementate: Cricchetti, ingranaggi e pignoni a prezzi convenienti.

Quale scegliere, l'acciaio 1018 o l'A36?

Questo è l'errore più comune. La norma A36 si applica ai profilati strutturali come le travi a I e gli angolari, mentre la norma 1018 si applica alle barre.

Tabella 3: Confronto tra A36 e 1018

La regola per prendere decisioni:

• Stai lavorando un pezzo che richiede un'elevata precisione, come un albero o un bullone? -> Scelta n. 1018.

• Stai saldando un tavolo o costruendo un telaio? -> Scegli A36.

Quando NON utilizzare l'acciaio 1018: limiti di progettazione

Il 1018 è flessibile, ma ha i suoi limiti.

• È richiesta un'elevata resistenza: Se hai bisogno di un’elevata resistenza allo snervamento ma non vuoi un materiale troppo ingombrante, passa al 1045 (a medio tenore di carbonio) o al 4140 (acciaio legato). Il 1018 si piegherà e basta.

• Tempratura a cuore: Il 1018 non è in grado di indurire l'intero pezzo, ma solo la superficie. Utilizzare acciaio per utensili o 4140.

• Resistenza alla corrosione: Il 1018 si arrugginisce immediatamente in condizioni di umidità. Se non è possibile verniciarlo o placcarlo, utilizzare invece acciaio inossidabile 304 o alluminio.

• Carichi che provocano elevata fatica: Il 1018 non è una buona scelta per i componenti sottoposti a sollecitazioni elevate (come gli alberi a gomiti), poiché presenta una resistenza inferiore e un maggiore contenuto di impurità.

Sintesi: Cosa dovrebbero sapere gli ingegneri sull'acciaio 1018

L'acciaio 1018 è lo standard sicuro ed economico per la progettazione tecnica.

• Lavorabilità: È lo standard di riferimento per la tornitura e la fresatura CNC su cui si può fare affidamento.

• Realizzazione: È facile saldare senza dover seguire procedure complicate.

• Indurimento superficiale: La cementazione rende i componenti molto resistenti all’usura.

• Prezzo: È uno dei metalli meno costosi che si possano acquistare.

Le migliori pratiche: Per alberi, perni e altri pezzi lavorati, utilizzare barre in acciaio 1018 trafilato a freddo. Utilizzare l’acciaio 1018 laminato a caldo solo se la finitura superficiale non è importante o se si prevede di eseguire numerosi lavori di saldatura. Se è richiesta una maggiore resistenza, utilizzare l’acciaio 1045 o 4140.

FAQ

D: È possibile saldare l'acciaio 1018?
A: Sì, ottimo. Grazie al suo basso tenore di carbonio, è uno degli acciai più facili da saldare. Nella maggior parte dei casi, non è necessario riscaldarlo né prima né dopo la saldatura.

D: L'acciaio 1018 si arrugginisce?
A: Sì, molto rapidamente. Non è resistente alla ruggine. Per evitare che si arrugginisca, va verniciato, trattato con verniciatura a polvere, zincato o oliato.

D: Qual è la differenza tra 1018 e 1045?
A: La quantità di carbonio. Il 1018 contiene circa 0,18% di carbonio, mentre il 1045 ne contiene circa 0,45%. Il 1045 è più resistente e può essere temprato a tutto spessore, ma è più difficile da saldare e da lavorare.

D: È possibile indurire l'acciaio 1018?
R: Non è possibile effettuare una tempra a cuore (tempratura e rinvenimento) perché non contiene abbastanza carbonio. Si può solo effettuare una cementazione (carburazione) per indurire la superficie esterna mantenendo morbido l’interno.

D: Il 1018 è migliore dell’A36?
A: Sì, il 1018 è più pulito e offre una maggiore uniformità nella lavorazione. L’A36 è solitamente più economico e va più che bene per la saldatura strutturale, come ad esempio la realizzazione di una cremagliera.