L’acciaio definito da ciò che non contiene
L’acciaio al carbonio è un acciaio non legato: una lega di ferro e carbonio in cui nessun altro elemento è stato aggiunto di proposito per ottenere una proprietà, e in cui gli altri elementi compaiono come residui entro tetti stabiliti. La definizione, insolitamente, è per sottrazione: dice che cosa non c’è.
La norma europea che classifica gli acciai traccia il confine con una tabella di valori limite. Finché un acciaio resta sotto tutti quei tetti è non legato; basta superarne uno perché diventi legato. I valori più citati sono 1,65% di manganese, 0,60% di silicio, 0,30% di cromo, 0,30% di nichel, 0,40% di rame, 0,08% di molibdeno. La convenzione americana è scritta al contrario e arriva allo stesso posto: per un acciaio al carbonio non è prescritto alcun tenore minimo di cromo, cobalto, molibdeno, nichel, niobio, titanio, tungsteno, vanadio o zirconio, e i tetti sono 1,65% di manganese, 0,60% di silicio e 0,60% di rame.
Quanto carbonio, e che cosa cambia
Nella definizione americana il carbonio va dallo 0,05 al 2,1% in massa, e la classificazione corrente lo divide in quattro fasce: basso da 0,05 a 0,15%, medio intorno allo 0,3-0,5%, alto fra 0,6 e 1,0%, altissimo fra 1,25 e 2,0%. Oltre il 2,1% circa la lega non è più un acciaio ma una ghisa, perché il carbonio in eccesso non resta più nella matrice e si separa.
All’aumentare del carbonio crescono durezza e carico di rottura, calano allungamento a rottura e saldabilità, e si abbassa la temperatura di fusione. Vale la pena segnalare che sulla definizione stessa del termine le fonti non coincidono: alcune fonti industriali estendono l’espressione fino a tenori vicini al 4%, altre fissano a 1,7% il limite del carbonio in un acciaio. Il numero da guardare, in ogni caso, è quello dichiarato in analisi, non l’etichetta.
Perlite e cementite: dove sta il carbonio dentro il metallo
A temperatura ambiente il ferro scioglie pochissimo carbonio, dell’ordine di qualche millesimo di punto percentuale. Tutto il resto si combina con il ferro in un composto, il carburo di ferro, duro e fragile, che i metallurghi chiamano cementite.
In un acciaio raffreddato adagio quel composto non si distribuisce a caso: cristallizza in lamelle sottili alternate a lamelle di ferro quasi puro, e il costituente laminato che ne risulta prende il nome di perlite. Alla composizione dello 0,77% di carbonio la struttura è tutta perlite; sotto quel valore accanto alla perlite restano grani di ferro liberi; sopra, il carburo comincia a comparire anche ai bordi dei grani. È qui che una percentuale diventa una durezza: più carbonio significa più lamelle dure per unità di volume, e più ostacoli allo scorrimento dei piani atomici.
Perché un acciaio al carbonio arrugginisce
La causa è l’elemento che manca. Sotto il 10,5% circa di cromo la superficie non si copre di un velo continuo di ossido di cromo, e senza quel velo il ferro reagisce con l’ossigeno e l’acqua senza che nulla lo fermi.
Il punto delicato è che anche il ferro si ossida, e in fretta: quello che cambia è che cosa diventa il suo ossido. La ruggine è un miscuglio di ossidi di ferro idrati e ossido idrossido, sfaldabile e friabile, permeabile all’aria e all’acqua, quindi il metallo sottostante continua a corrodersi indisturbato sotto lo strato che si è formato.
La differenza fra i due comportamenti si può anche mettere in cifra, con il rapporto fra il volume della cella dell’ossido e quello del metallo da cui è nato. Fra 1 e 2 l’ossido copre senza lacerarsi ed è protettivo: per l’ossido di alluminio vale 1,28, per quello di cromo 2,07. Gli ossidi del ferro stanno più in alto e uno di essi, il più comune all’aria, arriva a 2,14: cresce cioè più voluminoso del metallo che consuma, e la tensione che ne deriva lo stacca, riaprendo metallo fresco. Perché la reazione parta servono ossigeno e acqua insieme, e un elettrolita la accelera: una soluzione salina lasciata su una superficie di acciaio al carbonio la attacca subito.
Un metallo che si difende solo da fuori
Sul pezzo finito questo significa che la difesa non sta nella lega ma sopra di essa: un velo di olio, una lacca, un rivestimento di politetrafluoroetilene, oppure una carta inibitrice inserita nella confezione, che rilascia lentamente un composto volatile depositandosi sul metallo. Sono barriere che si consumano, che il primo lavaggio porta via e che la prima lavorazione interrompe.
Da qui la regola di manipolazione: un pezzo di acciaio al carbonio si conserva asciutto, si usa asciutto e non si lascia bagnato. Ed è anche la ragione per cui, in ambito sanitario, questi pezzi sono monouso e sterili in confezione sigillata, mentre lo stesso oggetto in acciaio inossidabile sarebbe riutilizzabile: non è un ripiego organizzativo, è la sola strada compatibile con un materiale che non si passiva.
Il filo delle lame in acciaio al carbonio
Se il materiale ha questo difetto e resta in uso, un motivo c’è. Il bordo affilato di uno strumento termina in un raggio dell’ordine del micrometro, e su quella scala l’acciaio al carbonio accetta un profilo più stretto di quanto lo accetti un inossidabile di pari durezza, perché non ha carburi di cromo grossolani a interrompere il filo. Il risultato è un taglio percepibilmente più netto nei primi passaggi.
Il compromesso è dichiarato anche dal lato opposto: per un tagliente destinato a un campo bagnato, o passato più volte con una garza umida, il comportamento alla corrosione conta più dell’affilatura iniziale, ed è lì che si sceglie l’inossidabile. Nel medicale l’acciaio al carbonio rimane quindi dove il pezzo è sottile, taglia una volta e si getta: le lame monouso da bisturi in tutta la numerazione corrente, le lame per rimuovere i punti di sutura, le lame sgorbia per podologia.
