Il martensitico ad alto carbonio siglato AISI 420
Sotto la sigla AISI 420 sta un acciaio inossidabile martensitico al cromo: un acciaio che si tempra come un acciaio da utensili, ma che porta cromo a sufficienza per passivarsi. Nella numerazione americana appartiene alla serie 400, quella dei cromo senza nichel; il numero unificato corrispondente è S42000 e l’equivalente europeo più vicino è l’1.4021, designato anche X20Cr13.
Ciò che lo separa dagli altri gradi al 12-14% di cromo non è il cromo, che è quasi identico, ma il carbonio, qui alto per un inossidabile. È il carbonio a decidere quanto duro diventerà il pezzo dopo la tempra, e il 420 è il grado in cui quel valore sale più di ogni altro fra i cromo al 12%. Da questa sola differenza discende il resto: dove si impiega, come si tratta e cosa cede in cambio.
Quanto carbonio ha davvero un AISI 420
La composizione dipende dalla norma che si guarda, e le due sponde dell’Atlantico non dicono la stessa cosa. La specifica americana per barre e profilati definisce il 420 con carbonio 0,15% come minimo e senza un tetto dichiarato, cromo fra 12,00 e 14,00%, manganese e silicio entro l’1,00%, fosforo entro lo 0,040% e zolfo entro lo 0,030%. La designazione europea 1.4021 fissa invece il carbonio in una finestra chiusa, fra 0,16 e 0,25%, con lo stesso intervallo di cromo.
Le due letture non si contraddicono: la prima descrive una soglia sotto la quale il materiale non è un 420, la seconda un tipo preciso dentro quella soglia. Rende però il numero da solo poco informativo, perché al di sopra dello 0,15% la famiglia prosegue con varianti a carbonio crescente, fino ai gradi della serie 440, e con versioni al molibdeno, allo zolfo o al vanadio che cambiano rispettivamente corrosione, truciolabilità e durezza. Su questo acciaio il tenore di carbonio dichiarato dice più della sigla.
Tempra e rinvenimento: da dove viene la durezza
Il ciclo comincia scaldando il pezzo fra 980 e 1035 °C, temperatura alla quale la struttura diventa austenitica e il carbonio si scioglie nel reticolo. Segue il raffreddamento rapido in olio o in aria, con l’olio necessario sulle sezioni grosse: il carbonio non ha tempo di separarsi e resta imprigionato dentro il reticolo, che si allunga lungo un asse e smette di essere cubico. Un reticolo deformato in quel modo oppone resistenza allo scorrimento, ed è questa la ragione per cui il pezzo esce duro.
Un pezzo appena temprato però è fragile e carico di tensioni, e va rinvenuto, cioè riscaldato a temperatura moderata. Per il 420 il rinvenimento si esegue fra 150 e 370 °C. Esiste una finestra da lasciare stare, all’incirca fra 425 e 600 °C: rinvenendo lì la resilienza scende al punto che le tabelle non pubblicano nemmeno il valore d’urto. La ricottura completa, che serve ad ammorbidire per lavorare, sta invece fra 840 e 900 °C con raffreddamento lento in forno fino a 600 °C.
I 50 HRC dell’AISI 420 e il filo che li usa
Temprato e rinvenuto basso, questo acciaio arriva a 50 HRC, il valore più alto fra i gradi inossidabili al 12% di cromo. In scala Brinell le tabelle su barra danno 444 HB con rinvenimento a 204 °C, insieme a un carico di rottura di 1600 MPa e al 12% di allungamento; ricotto, lo stesso materiale sta a 255 HB al massimo, con 655 MPa e il 25% di allungamento. Fra i due stati corre quasi un fattore due sulla durezza e un fattore due sulla resistenza.
Su un tagliente quel numero ha un significato preciso. Il filo è una lama di metallo spessa pochi micrometri, e quando incontra resistenza si piega prima ancora di consumarsi: più il metallo è duro, meno il bordo si arrotola e più a lungo il profilo resta quello che la rettifica gli ha dato. La stessa durezza si paga in officina, perché sopra i 30 HRC la lavorazione con utensile diventa difficile. Per questo i pezzi si sagomano da ricotti e si temprano dopo, e per questo la geometria del tagliente viene definita da mole e non da frese.
Il conto fra carbonio e cromo
La resistenza alla corrosione di un inossidabile dipende dal cromo disciolto nella matrice, quello disponibile a formare la pellicola di ossido. Il carbonio è il concorrente diretto: ha forte affinità per il cromo e lo lega in carburi, sottraendolo alla soluzione. Alzare il carbonio per avere durezza significa quindi ridurre, a parità di cromo totale, la quota che lavora contro la corrosione.
Il risultato si legge nella scala dei gradi: il 420 tiene meno dei martensitici a carbonio più basso, e sensibilmente meno degli austenitici e dei ferritici al 17% di cromo. Due condizioni contano quanto la composizione. La prima è lo stato, perché da temprato il grado si comporta meglio che da ricotto. La seconda è la finitura: una superficie rettificata o lucidata offre meno appigli di una ruvida, e un solco lasciato da un utensile è il posto da cui l’attacco comincia. Il contatto prolungato con residui organici o salini fermi sul metallo produce vaiolature.
Dove lavora un AISI 420
Gli impieghi tipici del grado sono coltelleria e lame da taglio, strumenti chirurgici, valvole a spillo e lame da cesoia. Il filo conduttore è sempre lo stesso: oggetti che tagliano o che strisciano, dove la superficie di lavoro deve restare in forma sotto un carico concentrato su pochi micrometri quadrati.
Fra gli strumenti chirurgici è l’acciaio delle forbici, dalle Mayo alle Metzenbaum alle Goldman Fox, oltre che dei modelli da emergenza e da medicazione. Il limite del grado si vede altrettanto bene per contrasto: la scagliatura comincia intorno ai 650 °C, e il materiale non va portato sopra la temperatura a cui è stato rinvenuto, perché scaldarlo oltre significa rinvenirlo di nuovo e perdere la durezza per cui era stato scelto. Le temperature di un ciclo in autoclave a vapore, 121 °C oppure 134 °C, stanno sotto perfino il rinvenimento più basso della gamma: non è il calore dell’autoclave a mettere in discussione un filo.
