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Acciaio

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Acciaio è il nome dato comunemente ad una lega di ferro e carbonio (ed eventualmente altri metalli) contenente una percentuale di carbonio non superiore al 2,1%: oltre questa percentuale le proprietà del materiale cambiano e si parla di ghisa. Le particelle di carbonio si frappongono nella struttura microcristallina del ferro bloccando gli scorrimenti e le dislocazioni dei piani atomici, conferendo all'acciaio doti di resistenza, durezza ed elasticità molto maggiori di quelle del ferro puro e semplice.

L'importanza dell'acciaio è enorme, i suoi usi sono innumerevoli, come anche le varietà in cui viene prodotto: senza la disponibilità di acciaio in quantità e a basso costo, la rivoluzione industriale non sarebbe stata possibile. Attualmente nel mondo di producono ogni anno circa 500 milioni di tonnellate di acciaio.

Indice

Storia

La scoperta dell'acciaio è stata fatta in molti luoghi indipendentemente, e non si può dire che ci sia stato un singolo scopritore. Spesso le stesse tecniche sono state elaborate (e a volte perdute) in luoghi diversi e in tempi diversi, dando origine a leggende e miti. Comunque sia, sembra che i primi in assoluto a fare un uso sistematico dell'acciaio tramandandone il metodo per la sua fabbricazione siano stati gli indù, addirittura in epoca romana.

In Europa l'unica tecnica nota fino al XVIII secolo fu quella dell'acciaio a pacchetto, unica a permettere di controllare il tenore di carbonio del metallo. Per secoli, l'unico modo di ottenere del buon acciaio in Europa fu quello di usare ferro delle miniere svedesi, particolarmente puro e privo di zolfo e fosforo, e usarlo per confezionare acciaio a pacchetto con altro ferro o ghisa più ricca di carbonio. Era un metodo estremamente costoso, e non si potevano creare pezzi molto grandi: al massimo grandi come la lama di una spada. In genere si usava l'acciaio per oggetti piccoli, come punte di freccia, bisturi, coltelli e altri oggetti di piccole dimensioni.

Nel 1740 in Inghilterra viene riscoperta la tecnica dell'acciaio al crogiolo, dando inizio alla rivoluzione industriale. La produzione di acciaio aumenta vertiginosamente e si scatena una serie di innovazioni per ottenere metallo sempre migliore e con caratteristiche sempre più varie. La prima di queste fu la scoperta che "cucinando" il carbone (scaldandolo in assenza di ossigeno, facendo così evaporare lo zolfo e ottenendo il carbone "cooked" o coke) si poteva ottenere dell'acciaio migliore, perchè privo di impurità dannose: successivamente venne introdotto l'altoforno, che consentiva di bruciare, tramite una corrente di ossigeno e l'aggiunta di calcare, le impurità del minerale e permetteva di variare a volontà il tasso di carbonio; per ultimo, il convertitore Bessemer permise di ottenere acciaio a partire dalla ghisa e bruciando via le impurità e il carbonio in più, permettendo di sfruttare gli altiforni in regime costante per produrre ghisa da convertire. Nel 1913 viene poi scoperto l'acciaio inossidabile, l'ultima grande famiglia di acciai.

Acciaio Wootz

Il primo tipo di acciaio di cui si ha notizia, fabbricato in India almeno dal 300 dopo Cristo (ma alcuni lo fanno risalire al 200 A.C.); il suo nome è la versione anglicizzata del nome indù dell'acciaio (ukku). Veniva preparato in crogioli chiusi sigillati, che contenevano minerale di ferro, carbone e vetro. I crogioli venivano poi messi alla fiamma e riscaldati: il ferro fondeva, arricchendosi di carbonio, e il vetro assorbiva le impurità man mano che fondeva, galleggiando sulla superficie. Il risultato era un acciaio ad alto tenore di carbonio e di elevata purezza. Questa tecnica si diffuse molto lentamente, arrivando nei paesi confinanti (gli odierni Turkmenistan e Uzbekistan) solo nel 900 D.C. circa. La tecnica indiana mise molto tempo ad arrivare in Europa, dove divenne nota solo a partire dal XVII secolo: ma nessuno qui seppe ripetere la manifattura dell'acciaio wootz per un altro secolo

Acciaio Damasco

Poco dopo l'anno mille, la tecnica indiana del wootz arriva in medio oriente, dove viene ulteriormente raffinata e dà origine all'acciaio Damasco, estremamente resistente e flessibile, con cui furono forgiate le spade che affrontarono i crociati europei: la qualità di quelle armi era tanto alta che l'acciaio damasco divenne mitico in europa, e nacquero voci sulle sue proprietà straordinarie: si diceva che una spada fatta di acciaio damasco potesse tagliare la roccia, e venire arrotolata attorno ad un uomo per poi tornare dritta come prima, e non perdesse mai il filo.

Con ogni probabilità, la tecnica del wootz venne raffinata in modo da far assorbire il carbonio soprattutto ai bordi della spada, mantenendo la sua anima centrale relativamente dolce. In questo modo si otteneva una spada flessibile e che sopportava gli urti senza rompersi, ma al tempo stesso dalla lama molto dura che manteneva un filo tagliente per molto tempo. Le variazioni nel tenore di carbonio fra il filo e il centro della spada creavano in superficie un bel disegno ondulato, dal cui l'aggettivo damascato.

Purtroppo, dopo il 1300 non si hanno più notizie di manufatti creati con questa tecnica, e non sono pervenuti documenti o testimonianze sul modo di ottenere l'acciaio damasco: semplicemente, la tecnica originale dell'acciaio damasco si è perduta. Per un certo periodo si ritenne che l'acciaio damasco non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto, che in certe condizioni può esibire delle venature superficiali, ma un confronto con i manufatti in acciaio damasco superstiti evidenziano differenze sostanziali, sebbene a volte anche l'acciaio damasco mostri tracce di pacchettatura.

Acciaio a pacchetto

Consiste nel creare un pacchetto di strati alternati di ferro dolce e ghisa, fatti rammollire e poi martellati insieme per saldarli e far diffondere il carbonio dalla ghisa al ferro dolce, in modo da ottenere la percentuale di carbonio desiderata. Una volta saldati gli strati del pacchetto, si taglia la barra e la si piega su se stessa, ripetendo il processo: in questo modo si possono creare barre di centinaia di strati sottilissimi. E' stato per secoli l'unico modo noto, al di fuori dell'India, per ottenere l'acciaio, ed è un processo la cui riuscita dipende moltissimo dalla capacità e dall'esperienza del fabbro: è molto difficile ottenere due volte lo stesso risultato con questo metodo. E' un processo molto lento, ed è anche molto costoso: per un Kg di acciaio sono necessari circa 100Kg di combustibile. Inoltre è impossibile ottenere con questo metodo pezzi molto grandi o di forma complessa.

In Giappone si creò una intera mistica intorno alla fabbricazione dell'acciaio a pacchetto, usato per le spade da samurai, e i costruttori di spade erano gelosi custodi delle loro tecniche segrete, che portavano ad ottenere gli acciai migliori del mondo. Nessun altro tipo di acciaio, fino alla metà del XX secolo, potè competere in prestazioni con l'acciaio delle spade da samurai.

Durante il medioevo in Europa, all'incirca dal V secolo al XVI secolo, la tecnica dell'acciaio a pacchetto fu dimenticata. Venne riscoperta con il Rinascimento, e in quel periodo molti si convinsero che il mitico acciaio Damasco di cui i crociati raccontavano meraviglie non fosse altro che un tipo di acciaio a pacchetto: ma le analisi delle nervature visibili nei due tipi di acciaio ha reso evidente che non è così.

Acciaio al crogiolo


Nel 1740 Benjamin Huntsman, a Sheffield riscoperse la tecnica dell'acciaio al crogiolo: dopo anni di esperimenti in segreto, mise a punto una fornace in grado di raggiungere i 1600ºC in cui metteva una dozzina di crogioli di argilla, ciascuno con 15 Kg di ferro, che veniva portato lentamente al calor bianco: a questo punto si aggiungevano pezzi di ghisa, che lasciati a fondere aggiungevano al materiale il carbonio necessario: dopo tre ore circa l'acciaio veniva colato in lingotti.

Fu una rivoluzione: nel 1740, Sheffield produceva circa 200 tonnellate di acciaio all'anno; un secolo dopo ne produceva 80.000, la metà di tutta la produzione europea, ed era la più grande città industriale d'europa. Questo modo di produrre l'acciaio restò il migliore fino all'arrivo del convertitore Bessemer, che permetteva di ottenere acciaio di pari qualità ad una frazione del costo.

Acciaio Bulat

Fu inventato da Pavel Petrovich Anosov, dopo anni di studi sulla perduta arte dell'acciaio damasco di cui Anosov voleva riscoprire il segreto. Alla fine le sue ricerche lo portarono ad un risultato che anche se non era l'acciaio Damasco, senz'altro permetteva di ottenere un materiale di qualità superiore. In pratica, l'acciaio Bulat (dalla parola persiana pulad, acciaio) era un acciaio stratificato, ottenuto raffreddando molto lentamente la massa fusa e dando il tempo al carbonio di concentrarsi in strati diversi: in questo modo il metallo finale consisteva di molti strati di ferrite (acciaio dolce) e cementite (acciaio duro).

La cementite però è instabile a temperature fra 600ºC e 1100ºC e tende a scomporsi in ferrite e carbonio, e quindi la lavorazione a caldo di questo tipo di acciaio era molto delicata, perchè poteva perdere le sue caratteristiche. Come l'acciaio al crogiolo, anche il processo Bulat venne soppiantato dal convertitore Bessemer, che produceva acciaio altrettanto buono ma più economico.

Tipi di acciaio

Esistono moltissimi tipi di acciaio, e anzi esiste un ente, l'AISI (American Iron and Steel Institute), che stabilisce le caratteristiche per una serie di tipi di uso comune. Si possono classificare in:

Normalmente gli acciai ad alta lega sono acciai speciali, prodotti per scopi ben definiti, mentre gli acciai al carbonio e gli acciai a bassa lega si usano come acciai da costruzione e per usi generici.

Acciai al carbonio

Sono il tipo più comune e meno pregiato; si lavorano facilmente e possono essere saldati senza problemi. Però sono soggetti alla corrosione, soprattutto a temperature elevate, a cui perdono anche resistenza meccanica; e a temperature molto basse diventano fragili.

Si dividono in acciai dolci, con meno dell'1% di carbonio, e acciai duri con tenore di carbonio superiore: gli acciai dolci sono molto duttili e malleabili, si lavorano facilmente ed hanno ottima resistenza meccanica a trazione e compressione: sono anche molto resilienti.

Gli acciai duri invece sono meno resilienti, cioè è più facile che si spezzino se sottoposti a urti violenti, però sono anche molto più duri superficialmente: inoltre prendono molto bene la tempra, trattamento che non dà buoni risultati con gli acciai dolci. Ovviamente però sono più difficili da lavorare.

Acciai inossidabili

La scoperta dell'acciaio inossidabile si deve all'inglese Harry Brearly: nel 1913, sperimentando acciai per canne di armi da fuoco scoprì che un provino di acciaio con il 13-14% di cromo e con un tenore di carbonio relativamente alto che aveva preparato non arrugginiva quando era esposto all'atmosfera. Successivamente questa proprietà venne spiegata con la passivazione del cromo, che forma sulla superficie una pellicola di ossido estremamente sottile, continua e stabile; per questo l'acciaio inox resiste alla corrosione sia in ambiente umido che asciutto. Ma non solo: gli acciai inox offrono anche molte proprietà secondarie che li rendono materiali di grande versatilità.

I successivi progressi della metallurgia fra gli anni ‘40 e ‘60 hanno ampliato il loro sviluppo e le loro applicazioni. Tuttora vengono perfezionati e adattati alle richieste dei vari settori industriali, come il petrolifero/petrolchimico, minerario, energetico, nucleare ed alimentare.

Il termine acciaio inossidabile (o inox) indica genericamente gli acciai ad alta lega contenenti cromo, generalmente in quantità fra l'11 ed il 30%; altri leganti che aumentano la resistenza alla corrosione sono nichel, molibdeno, rame, titanio e niobio: in ogni caso, perchè si possa parlare propriamente di acciaio, il totale degli elementi leganti non deve superare il 50%. I componenti questa famiglia di acciai sono classificati secondo la loro struttura microcristallina che deriva dalla loro diversa composizione chimica.

Acciaio inox martensitico

L'acciaio inox martensitico è stato il primo ad essere fabbricato su scala industriale (lame di coltelli). Ha un tenore di carbonio relativamente alto e di cromo fra il 12 ed il 18%.

Le proprietà fondamentali sono discreta resistenza alla corrosione, alti livelli di resistenza e di durezza ottenibili tramite tempra, pessima saldabilità per l'alto tenore di carbonio: gli impieghi più comuni sono lame di coltelli, strumenti chirurgici, dispositivi di fissaggio, fusi, ugelli, alberi e molle.

Acciaio inox ferritico

Ha un minor tenore di carbonio rispetto al martensitico. (Un tipo particolarmente resistente al calore contiene il 26% di Cr).

Le proprietà fondamentali sono: moderata o buona resistenza alla corrosione, che aumenta con la percentuale di cromo; magnetizzabile; non temperabile e da usare sempre dopo ricottura; scarsa saldabilità.

Gli impieghi più comuni sono acquai, lavelli e finiture per l'edilizia. In lamiere sottili si usano per rivestimenti, piastre per ponti navali, sfioratori, trasportatori a catena, estrattori di fumi e depolverizzatori.

Acciaio inox austenitico

Aggiungendo nichel all'acciaio inox, la struttura microcristallina si converte in austenite. La composizione base dell'acciaio inox austenitico è il 18% di Cr e l'8% di Ni, codificati in 18/8. Una percentuale del 2-3% di molibdeno assicura una miglior resistenza alla corrosione (acciaio 18/8/3). Il contenuto di carbonio è basso (0,08% max di C), ma esistono anche acciai inox austenitici dolci (0,03% di C max). L'acciaio inox austentico si può stabilizzare aggiunendo titanio o niobio per evitare una forma di corrosione nell'area delle saldature (vedi più avanti le debolezze di questo tipo di acciaio).

Le proprietà fondamentali sono: ottima resistenza alla corrosione, facilità di ripulitura e ottimo coefficiente igienico, facilmente lavorabile, forgiabile e saldabile; incrudito se lavorato a freddo e non tramite trattameno termico; in condizione di totale ricottura non si magnetizza; utilizzabile sia in criogenia che a temperature molto alte (fino a 925°C).

Gli impieghi di questi acciai sono molto vasti: pentole e servizi domestici, finiture architettoniche, mattatoi, fabbriche di birra, lattine per bibite e prodotti alimentari; serbatoi per gas liquefatti, scambiatori di calore, apparecchi di controllo dell'inquinamento e di estrazione di fumi, autoclavi industriali.

Gli acciai inox austenitici soffrono però di alcune limitazioni:
la massima temperatura cui possono essere trattati è di 925°C;
a bassa temperatura la resistenza alla corrosione diminuisce drasticamente: gli acidi rompono il film di ossido e ciò provoca corrosione generica in questi acciai;
nelle fessure e nelle zone protette la quantità di ossigeno può non essere sufficiente alla conservazione della pellicola di ossido, con conseguente corrosione interstiziale;
gli ioni degli alogenuri, specie il catione (Cl-) spezzano il film passivante sugli acciai inox austenitici e provocano la cosiddetta corrosione ad alveoli. Un altro effetto del cloro è la SCC (rottura da tensocorrosione).

Acciaio inox ad alta temperatura

Questi acciai inox sono stati messi a punto per operare ad elevata temperatura in condizioni ossidanti. La percentuale di cromo è del 24% ed il niche va dal 14 al 22%.

Le proprietà fondamentali sono: resistenza all'ossidazione (sfaldatura) ad alta temperatura, buona resistenza meccanica alle alte temperature.

Gli impieghi più comuni sono in parti di forni, tubi irradianti e rivestimenti di muffole, per temperature di esercizio fra 950 e 1100°C.

Acciaio inox superferritico

E' stato ideato per ridurre la suscettibilità alla corrosione alveolare ed alle rotture per tensocorrosione degli inox austenitici. Questi acciai dolci al cromo hanno due composizioni possibili: cromo 18% e molibdeno 2%, oppure cromo 26% e molibdeno 1%.

Le proprietà fondamentali sono le stesse degli acciai inox ferritici, con in più la resistenza alla corrosione alveolare ed alla rottura da tensocorrosione (SCC); saldabilità scarsa o discreta.

A causa della bassa saldabilità gli impieghi sono limitati a particolari saldati di meno di 5mm di spessore. Sono utilizzati per pannelli e radiatori solari, tubi di scambiatori di calore e di condensatori, serbatoi per acqua calda e tubazioni di circolazione di salamoie nelle industrie alimentari.

Leghe inox austenitiche

Definite anche come leghe per alte prestazioni, superleghe o materiali esotici, sono prodotti con alte percentuali di leganti, oltre il 50% in peso: in pratica un ampliamento degli acciai inox austenitici tradizionali. Sono nati per coprire le debolezze di questi ultimi in fatto di resistenza alla corrosione, sia alveolare che tensocorrosione.

I costituenti sono cromo (20-27%), nichel (25-42%) e molibdeno (3-6%). Queste percentuali elevate conferiscono alle leghe una maggior resistenza alla corrosione da acidi ad alta temperatura ed a forte concentrazione ed alle rotture per tensocorrosione in atmosfera ricca di cloro.

Le proprietà fondamentali sono quelle tipiche degli acciai inox austenitici, ma con una migliorata saldabilità.

Gli impieghi comuni sono in alcuni settori dell'industria petrolchimica e chimica dove il problema della corrosione è particolarmente sentito.

Acciai duplex

Si tratta di acciai al cromo ibridi e sono perciò l'ultima classe di acciai inox. Il tenore di cromo va dal 18 al 26% e quello di nichel dal 4,5 al 6,5%, quantità insufficienti per determinare una struttura microcristallina totalmente austenitica. Quasi tutti contengono fra il 2,5 ed il 3% di molibdeno.

Le proprietà fondamentali sono:
struttura microcristallina peculiare nota come duplex, austenitica e ferritica, che conferisce loro più resistenza alle rotture per tensocorrosione; maggior grado di passivazione per il più alto tenore di cromo (e la presenza del molibdeno); saldabilità e forgiabilità buone; alta resistenza a trazione ed allo snervamento.

Gli impieghi più comuni sono scambiatori di calore, macchine movimento materiali, serbatoi e vasche per liquidi ad alta concentrazione di cloro, refrigeratori ad acqua marina, dissalatori, impianti per salamoie alimentari ed acque sotterranee e ricche di sostanze aggressive.

Acciai speciali

Acciaio acido

Acciaio affinato all'ossigeno

Acciaio al manganese

Acciaio al molibdeno

Acciaio al nichel

L'effetto primario del nichel come legante è la forte variazione del coefficiente di dilatazione termica: l'acciaio al nichel più comune ha un tenore di nichel del 36% ed è noto anche come acciaio INVAR, perchè ha un coefficiente di dilatazione termica estremamente ridotto. Si produce anche un altro tipo di acciaio con il 20% di nichel, che invece ha la proprietà di avere un coefficiente di dilatazione termica estremamente elevato, per accoppiarlo con l'INVAR e produrre delle lamine bimetalliche che si incurvano moltissimo al variare della temperatura e sono usate per esempio negli interruttori elettrici di sicurezza.

Acciaio al silicio

E' un acciaio dolce a basso tenore di carbonio, con circa l'1% di silicio: molto duro, ha una notevole resistenza alla fatica e un limite di snervamento molto elevato: si usa quindi per molle e lamelle flessibili e per stampi da conio. E' difficilmente saldabile e molto poco malleabile, ma prende molto bene la tempra; difficile anche da zincare o da cromare.

Inoltre l'aggiunta di silicio aumenta moltissimo la resistenza elettrica e la permeabilità magnetica del materiale, il che lo rende ottimo per l'uso in traferri di trasformatori e macchine elettriche, sotto forma di lamierini laminati a freddo e ricotti per orientare i grani microscopici che formano i domini magnetici. Per questi usi si aumenta il tenore di silicio al 3-4%, ottenendo il cosiddetto acciaio magnetico.

Acciaio al titanio

Acciaio al tungsteno

Aggiungendo del tungsteno all'acciaio si ottiene una lega estremamente dura e resistente al calore, con ottima temprabilità, che viene usata principalmente per costruire utensili; a seconda del tenore di tungsteno si distinguono due tipi di acciai:

l'acciaio rapido con lo 0,5-1,3% di carbonio, il 14-26% di tungsteno e il 3-7% di cromo: non perdono la tempra fino al calor rosso (600ºC) e quindi consentono elevate velocità di taglio.

l'acciaio autotemprante con tenore di carbonio dell'1-2% e di tungsteno dal 5% al 7%: questo tipo di acciaio prende il suo nome dal fatto che la sua velocità critica di tempra (velocità di raffreddamento) è così bassa che può temprarsi in aria dopo un forte riscaldamento.

Acciaio al vanadio

Acciaio all'ossigeno puro

Acciaio automatico

Detti anche acciai al piombo. Sono acciai dolci per usi generici, con piccole quantità di piombo, bismuto, tellurio o zolfo; la loro caratteristica più importante è la truciolabilità e la ottima lavorabilità con macchine utensili.

Acciaio basico

Nanoacciaio

Come già detto all'inizio, nell'acciaio (specie negli acciai duri) sono presenti dei microcristalli di carbonio dispersi nel ferro, che conferiscono alla lega Fe-C le sue caratteristiche strutturali. Tuttavia, recenti ricerche nel campo delle nanotecnologie hanno introdotto una nuova possibilità in questo campo: potendo controllare le dimensioni delle microparticelle di carbonio, e in particolare riducendone le dimensioni a scala nanometrica (nanocristalli), l'acciaio ricavato mantiene quasi intatte le sue caratteristiche di resistenza meccanica anche a temperature di circa 900ºC, molto al di sopra dei normali acciai.

Acciaio amorfo

Normalmente l'acciaio ha una struttura cristallina; tuttavia, recentissimamente (articolo sulla rivista Physical review letters del 18 giugno 2004) è stato descritto un procedimento, a lungo inseguito dai metallurgici, che permette di ottenere un acciaio con struttura atomica disordinata, per l'appunto amorfa: questo tipo di materiale (detto acciaio amorfo o acciaio vetroso), è praticamente un liquido solidificato, come il vetro, per l'appunto. Il segreto di questo risultato sta nell'aggiunta alla lega di elementi che favoriscono la fase liquida, come l'Ittrio: l'acciaio risultante dopo la solidificazione ha una durezza e una resistenza circa doppie rispetto a quelle dei migliori acciai convenzionali.

Lavorazioni caratteristiche

Bonifica

Viene eseguita sugli acciai dolci per aumentarne le caratteristiche meccaniche, e consiste in una tempra con successiva rinvenitura. In genere si usano acciai dolci con un tenore di carbonio compreso fra lo 0.2% e lo 0.6% con piccole percentuali di leganti come molibdeno, cromo, nichel; più raramente vanadio e cromo.

Cementatura

Consiste nell'aumentare il contenuto di carbonio nello strato superficiale dell'acciaio; questo permette, con la successiva tempra, di ottenere uno strato superficiale molto duro di cementite, permettendo al pezzo di mantenere buone caratteristiche meccaniche di elasticità. Si può fare in forma solida, liquida o gassosa, e viene seguita dalla tempra del materiale. I pezzi cementati perdono però gradatamente le loro caratteristiche superficiali se sottoposti a temperature oltre i 200ºC.

Nitrurazione

Come la cementazione, anche questo è un processo di indurimento superficiale: l'acciaio viene portato a 500ºC e investito da una corrente di ammoniaca gassosa che si dissocia in azoto e idrogeno. L'azoto viene assorbito dagli strati superficiali del metallo con cui forma nitruri, prevalentemente Fe4N, molto duri.

Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per cementazione, ma in compenso la sua durezza è molto maggiore e rimane stabile fino a temperature di 600-700ºC

Calmatura

Nell'acciaio può essere presente dell'ossigeno in soluzione sotto forma di monossido di carbonio (CO). Durante la saldatura questo gas si sprigiona sotto forma di soffiature sulla superficie dell'acciaio, che allora viene detto effervescente. questo difetto si elimina aggiungendo piccole dosi di alluminio e silicio, che formano con l'ossigeno degli ossidi solidi che durante la saldatura vengono eliminati come scorie. Si produce così acciaio calmato, semicalmato o equilibrato. Questo procedimento inoltre facilita molto la smaltatura dell'acciaio.





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