L'acciaio fonde tra 1370 °C e 1540 °C (tra 2500 °F e 2800 °F), a seconda della sua composizione. A differenza del ferro puro, che fonde esattamente a 1538 °C, l'acciaio passa dallo stato solido a quello liquido in un intervallo di temperatura perché è una lega di ferro, carbonio e altri elementi.
Il contenuto di carbonio è il fattore che influenza maggiormente il punto di fusione dell'acciaio. Un contenuto di carbonio più elevato implica temperature di fusione più basse: un acciaio ad alto tenore di carbonio con l'1% di carbonio inizia a fondere intorno ai 1425 °C, mentre un acciaio dolce a basso tenore di carbonio non inizia a fondere prima dei 1500 °C circa.
Gli acciai al carbonio fondono tra 1425 °C e 1540 °C, con la temperatura esatta determinata principalmente dal contenuto di carbonio. Gli acciai a basso tenore di carbonio (come l'acciaio dolce con lo 0.2% di carbonio) fondono a temperature più elevate, intorno ai 1500-1525 °C, mentre gli acciai ad alto tenore di carbonio (circa l'1% di carbonio) iniziano a fondere a temperature più basse, intorno ai 1425 °C.
Ciò accade perché il carbonio altera la struttura cristallina del ferro e forma una miscela eutettica che fonde a temperature più basse. Per ogni aumento dello 0.1% del contenuto di carbonio, il punto di fusione scende di circa 10-15 °C.
La maggior parte degli acciai al carbonio che incontrerete seguono questo schema:
La presenza di piccole quantità di manganese, silicio e zolfo negli acciai al carbonio commerciali ha un impatto minimo sulla temperatura di fusione. Anche il trattamento termico non modifica il punto di fusione: che l'acciaio sia ricotto o temprato, fonde alla stessa temperatura, a seconda della sua composizione.
Gli acciai inossidabili fondono generalmente tra 1370 °C e 1530 °C, con intervalli specifici che variano significativamente a seconda del grado. Il contenuto di cromo (minimo 10.5%) combinato con nichel, molibdeno e altre aggiunte crea comportamenti di fusione diversi rispetto al semplice acciaio al carbonio.
La maggior parte degli acciai inossidabili ha in realtà punti di fusione leggermente inferiori rispetto all'acciaio al carbonio, perché il nichel e altri elementi di lega abbassano la temperatura di fusione. Il comportamento di fusione dipende interamente dal tipo di acciaio inossidabile con cui si lavora.
I gradi austenitici come il 304 e il 316 hanno gli intervalli di fusione più bassi tra gli acciai inossidabili, in genere 1375-1450 °C. L'acciaio inossidabile tipo 304 (18% cromo, 8% nichel) inizia a fondere intorno ai 1400 °C ed è completamente liquido a 1455 °C.
L'elevato contenuto di nichel è responsabile di questo punto di fusione più basso. Il nichel fonde a 1453 °C, significativamente più basso dei 1538 °C del ferro, e quando legato al ferro forma una soluzione solida che fonde a temperature intermedie.
L'acciaio inossidabile tipo 316 fonde a temperature ancora più basse, tra 1375 e 1400 °C, grazie al suo maggiore contenuto di nichel e all'aggiunta del 2-3% di molibdeno. Ciò rende i gradi austenitici più facili da saldare, ma ne limita l'utilizzo in applicazioni ad altissime temperature.
Gli acciai inossidabili ferritici fondono a temperature più elevate rispetto ai gradi austenitici, in genere tra 1450 e 1510 °C. Il tipo 430 (16-17% di cromo, senza nichel) inizia a fondere intorno ai 1425 °C e diventa completamente liquido a 1510 °C.
L'assenza di nichel mantiene il punto di fusione più vicino a quello del ferro. Sebbene il cromo abbia un punto di fusione molto elevato (1890 °C), alle concentrazioni utilizzate nell'acciaio ferritico non aumenta il punto di fusione, ma lo mantiene semplicemente vicino ai livelli dell'acciaio al carbonio.
Questi acciai mantengono una resistenza migliore alle alte temperature rispetto ai gradi austenitici. Il loro intervallo di fusione più elevato li rende adatti per sistemi di scarico e altre applicazioni in cui la resistenza alla temperatura è importante.
Gli acciai inossidabili martensitici presentano la più ampia variazione negli intervalli di fusione, da 1370 a 1530 °C a seconda del contenuto di carbonio. Il tipo 410 (12% cromo, 0.1% carbonio) fonde in modo simile ai gradi ferritici a 1480-1530 °C.
I gradi martensitici ad alto tenore di carbonio raccontano una storia diversa. Il tipo 440C (17% cromo, 1% carbonio) inizia a fondere già a 1370 °C a causa del suo elevato contenuto di carbonio, nonostante abbia più cromo rispetto a molti altri gradi.
Ciò dimostra come l'effetto del carbonio sul punto di fusione prevalga su quello del cromo. La combinazione crea un ampio intervallo di fusione: 440 °C non si liquefà completamente prima di circa 1480 °C, il che gli conferisce un intervallo di fusione di 110 °C, rispetto ai soli 50 °C dei gradi a basso tenore di carbonio.
Gli acciai per utensili fondono tipicamente tra 1420 °C e 1540 °C, sebbene le loro composizioni complesse creino intervalli di fusione insolitamente ampi. Questi acciai contengono dallo 0.5 al 2% di carbonio, oltre a quantità significative di cromo, tungsteno, molibdeno e vanadio, creando un comportamento di fusione impegnativo.
L'elevato contenuto di carbonio fa sì che gli acciai per utensili inizino a fondere a temperature relativamente basse, intorno ai 1400-1420 °C per la matrice ferro-carbonio. Tuttavia, gli elementi che formano carburi creano composti estremamente stabili che non fondono fino a temperature molto più elevate.
Prendiamo ad esempio l'acciaio per utensili D2 (1.5% di carbonio, 12% di cromo). Inizia a fondere a 1420 °C, ma non è completamente liquido fino a 1540 °C, ovvero un intervallo di temperatura di 120 °C. I carburi di cromo sparsi nell'acciaio rimangono solidi a lungo dopo la fusione della matrice circostante.
Gli acciai rapidi come l'M2 mostrano un comportamento ancora più estremo. La matrice d'acciaio fonde a circa 1400-1425 °C, ma i carburi di tungsteno al suo interno possono rimanere solidi ben oltre i 1500 °C. Questo rende gli acciai per utensili notoriamente difficili da fondere o saldare senza attrezzature specializzate per alte temperature.
| Grado d'acciaio | Composizione | Intervallo di fusione (°C) | Fattore chiave |
|---|---|---|---|
| Acciaio a basso tenore di carbonio (1020) | ~0.2% C, 99% Fe | 1500-1525 | Ferro quasi puro |
| Acciaio ad alto tenore di carbonio (1095) | ~0.95% C, 98-99% Fe | 1425-1500 | Il carbonio riduce il solidus |
| Acciaio inossidabile 304 (austenitico) | 18% Cr, 8% Ni, 0.08% C | 1400-1450 | Il nichel abbassa il punto di fusione |
| Acciaio inossidabile 430 (ferritico) | 16% Cr, <0.1% C, senza Ni | 1450-1510 | alto contenuto di ferro |
| Acciaio inossidabile 440C (martensitico) | 17% Cr, 1.0% C | 1370-1480 | L'alto tenore di carbonio crea un'ampia gamma |
| Utensile in acciaio D2 | 1.5% C, 12% Cr, Mo, V | 1420-1540 | I carburi estendono la gamma |
| Acciaio rapido M2 | 0.8% C, 6% W, 5% Mo | 1400-1425 * | *Solo matrice; i carburi rimangono solidi |
