New generation of non-leaded free cutting steels: characterization and machinability

The growing sensitivity of regulations regarding the use of heavy metals increasingly demands the use of new lead-free steels, whose development has become a strategic priority for the entire steel industry. Despite strong interest, the development of alternatives to leaded free-cutting steels has so far been limited by economic reasons related to the high cost of research, development, and commercialization. This thesis aims to characterize the machinability and the mechanical/metallurgical properties of a new generation of bismuth-containing free-cutting steels (11SMnBi30), comparing their performance with that of the alloys currently most used in the industry (11SMn30 and 11SMnPb30). The research was structured in three main phases: the first phase involved the mechanical/metallurgical characterization of the three alloys under investigation through tensile, hardness, and impact tests at room temperature, followed by in-depth metallographic and inclusion content analyses (shape, number, and distribution of inclusions). The second part of the project was dedicated to lathe cutting tests to evaluate cutting forces, absorbed power, tool wear, and surface finish, varying tools and lubrication conditions. The third and final phase allowed the determination of statistically significant differences between the three steels through ANOVA (Analysis of Variance) of the data obtained during experimentation. The results clearly showed that bismuth-containing free-cutting steels are a good alternative to traditional ones, particularly with reference to the high cutting speeds to which this category of steels is specifically dedicated. The statistical approach used to process the large amount of data also made it possible to determine the limits and best practices for the use of this new class of steels.

La crescente sensibilità delle normative rispetto all’uso di metalli pesanti impone in modo sempre più urgente l’utilizzo di nuovi acciai privi di piombo, il cui sviluppo è diventato una priorità strategica per l'intera industria siderurgica. Nonostante il forte interesse, lo sviluppo di leghe alternative agli acciai automatici contenenti piombo è stato finora limitato da ragioni economiche legate all'alto costo di ricerca, sviluppo e commercializzazione. Il presente lavoro di tesi ha l’obiettivo di caratterizzare la lavorabilità alle macchine utensili e le proprietà meccaniche/metallurgiche di una nuova generazione di acciai automatici al bismuto (11SMnBi30), confrontando le loro prestazioni a quelle delle leghe attualmente più utilizzate a livello industriale (11SMn30 e 11SMnPb30). La ricerca è stata articolata in tre fasi principali: la prima ha previsto la caratterizzazione meccanica/metallurgica delle tre leghe oggetto d’indagine tramite prove di trazione, durezza e resilienza a temperatura ambiente, seguite da approfondite analisi metallografiche e del contenuto inclusionale (forma, numerosità e distribuzione delle inclusioni). La seconda parte del progetto è stata dedicata alle prove di taglio al tornio, al fine di valutare le forze di taglio, la potenza assorbita, l’usura dell'utensile e la finitura superficiale al variare degli utensili e delle condizioni di lubrificazione. La terza, ed ultima, fase ha invece consentito di determinare le differenze statisticamente significative tra i tre acciai tramite analisi ANOVA (Analisi della Varianza) dei dati ottenuti durante la sperimentazione. I risultati hanno evidenziato chiaramente che gli acciai automatici al bismuto costituiscono una buona alternativa a quelli tradizionali, con particolare riferimento alle alte velocità di taglio a cui questa categoria di acciai è specificamente dedicata. L’approccio statistico utilizzato per elaborare la grande mole di dati ha altresì permesso di determinare i limiti e le modalità di impiego maggiormente corrette per questa nuova classe di acciai.