Come nasce l’asta per l’arbalete

Andrea Zani | 21 Dicembre 2007 | 0 Comments

Non c’è alcun dubbio che uno degli elementi essenziali per una battuta di pesca sia quel sottile tondino appuntito che è l’asta del nostro fucile; non importa che le nostre preferenze vadano verso gli arbalete o verso gli oleo pneumatici, l’oggetto che ci permette la cattura delle nostre prede è l’asta.
Ogni bravo pescatore ha ormai imparato che il materiale utilizzato per la fabbricazione di tutte le aste disponibili sul mercato è l’acciaio (anche se esistono rarissimi esempi di aste in titanio) e che le uniche possibili opzioni sono limitate alla scelta tra acciaio inox e acciaio armonico.
Ma quanti conoscono cosa c’è veramente dietro quel sottile cilindro appuntito? Dai materiali utilizzati alla successiva lavorazione?
Cerchiamo allora di capirci meglio, cominciando proprio con le definizioni fondamentali.

I fasci di aste pronti per essere sottoposti al trattamento termico (Foto Omer S.p.A.)

L’acciaio è una lega a base di Ferro e Carbonio cui il variare delle percentuali di carbonio, e degli altri elementi utilizzati come leganti, conferisce particolari caratteristiche meccaniche; ai componenti di base inoltre possono essere aggiunti altri metalli (Manganese, Silicio, Cromo, Nichel, etc) in percentuali più o meno significative rendendo così il materiale adatto per specifici impieghi.
Le leghe che si ottengono in questo modo possono essere raggruppate in macro classi, sulla base della composizione chimica media, che in qualche modo ne contraddistinguono le possibilità di utilizzo finale.
In base alla quantità di carbonio, ad esempio avremo acciai adatti alla costruzione, acciai adatti alla cementazione e acciai adatti ad essere sottoposti ad ulteriori trattamenti quali la bonifica e la nitrurazione allo scopo di migliorarne alcune caratteristiche meccaniche.

Ovviamente ciascun tipo di acciaio ha un proprio nome identificativo stabilito dagli Istituti sopranazionali come l’UNI (Ente Nazionale Italiano di Unificazione) o l’AISI (American Iron and Steel Institute) ma anche molti altri enti emanano classificazioni proprie; in Italia vige la normativa UNI che, in aderenza agli standard europei EN, regola la distribuzione attribuendo ai prodotti nomi identificativi costituiti da sigle alfa-numeriche che tengono conto della composizione chimica dei singoli prodotti.
Ci troveremo quindi di fronte a nomi come C67, C72, 52SiCrNi5, 48Si7 o 55Si8, indecifrabili all’apparenza ma in realtà di semplice comprensione; il C67 è infatti un acciaio in cui è presente una quantità media di Carbonio dello 0,67, mentre il 52SiCrNi5 contiene Silicio per lo 0,52%, Carbonio non specificato e 0,50% di Nichel e così via.

In molte fasi della lavorazione è indispensabile l’intervento umano (Foto Omer S.p.A.)

Dal punto di vista produttivo, la realizzazione di un tondino che abbia l’aspetto di un’asta non comporta grossi problemi ma per conferire alla materia prima durezza, resistenza, tenacità ed elasticità, caratteristiche specifiche per l’utilizzo cui sarà destinata, sono necessari una serie di trattamenti che nel loro insieme prendono il nome di bonifica.
Il trattamento più conosciuto del processo di bonifica è la ‘tempra’ o ‘tempera’ durante la quale l’acciaio viene riscaldato fino a superare una temperatura, detta appunto temperatura di soglia (oltre i 1.000 gradi C), oltre la quale le molecole dell’acciaio modificano la loro struttura fino a raggiungere una disposizione e conformazione detta Martensite; durante il successivo raffreddamento all’interno della materia si generano tensioni e discontinuità della struttura che vengono eliminate tramite un successivo riscaldamento a temperature predefinite, di molto inferiori a quelle di tempra (circa 600 gradi C), e un definitivo raffreddamento in acqua o olio; tale operazione prende il nome di ‘rinvenimento’.

Attraverso queste procedure si ottiene la massima durezza della lega e si migliorano le altre caratteristiche meccaniche di base; gli acciai però reagiscono in maniera diversa a questi trattamenti, in base alla loro composizione chimica, per cui risulta indispensabile una selezione preventiva delle materie prime da utilizzare.
E’ in questa scelta che è indispensabile tenere in considerazione le caratteristiche di base; ad esempio gli acciai pregiati, tra cui spiccano gli acciai armonici (C67,C72, 52SiCrNi5, 48Si7, 55Si8 etc) hanno ottime caratteristiche meccaniche in termini di resistenza, durezza ed elasticità ma presentano una pessima resistenza alla corrosione marina, problema parzialmente risolto con l’avvento delle leghe che contengono Cromo e Nichel che sono la base degli acciai inossidabili.

Con apposite apparecchiature si controlla che le aste siano perfettamente dritte e si verificano i profili (Foto Omer S.p.A.)

Ma anche gli acciai inossidabili, quali UNI X5CrNi1810 = Aisi304 e UNI X5CrNiMo1712 = Aisi316, pur avendo un ottima resistenza alla corrosione, saranno più adatti per la realizzazione di altre parti del fucile subacqueo quali la scatola di sgancio ma non saranno adatti nella realizzazione della nostra asta.
Esistono però altri acciai inossidabili Martensitici, e quindi adatti alla tempra, come l’Aisi 630 = UNI X5CrNiCuNb16-4 o X30Cr13 = Aisi420 o X16CrNi16 = Aisi431 , o altre leghe speciali ma la loro reperibilità, soprattutto nei diametri di nostro interesse, non è così semplice come per i primi.

Conclusa questa indispensabile introduzione sui materiali e sui trattamenti preventivi cui vengono sottoposti, possiamo passare ad esaminare le questioni legate la vera e propria realizzazione dell’asta ed i problemi ad essa collegati.

Sembrerà a tutti ovvio che la caratteristica principale che dovrà avere, a fine lavorazione, la nostra asta sia quella di essere perfettamente dritta, considerato che sappiamo bene come un’asta che presenti anche lievi deformazioni sia praticamente inutilizzabile.

Fase di rifinitura e sgrossatura di un’asta (Foto Omer S.p.A.)

Purtroppo però per le nostre aste, i trattamenti termici, per via delle alte temperature che si raggiungono durante la tempre e a causa della sezione ridotta, provocano delle deformazioni tali da non rendere il prodotto idoneo al suo scopo.

Di conseguenza, da qualche tempo, si è iniziato a ricercare procedimenti alternativi alla tempra che consentissero comunque di migliorare le caratteristiche meccaniche degli acciai adoperati; si è quindi passati ad un procedimento conosciuto come ‘invecchiamento per precipitazione’ che richiede temperature più basse di quelle necessarie per la tempra.

Con questo procedimento l’acciaio a matrice martensitica viene portato ad una temperatura tale per cui gli elementi metallici presenti in varie percentuali all’interno della lega (i cosiddetti ‘precipitati’) vadano ad integrarsi nella matrice stessa facendo acquisire al prodotto finito la durezza e la resistenza voluta; anche in questo processo il brusco raffreddamento del prodotto avrà l’effetto di consolidarne le caratteristiche.

La temperatura a cui viene portato l’acciaio genera comunque tensioni e discontinuità strutturale che vengono eliminate attraverso un trattamento denominato ‘invecchiamento’ che può essere effettuato a temperatura ambiente, con tempi molto lunghi, o temperature predefinite che ne differenzieranno anche i diversi livelli di invecchiamento.

E’ la volta del codolo… (Foto Omer S.p.A.)

Un perfetto esempio di integrazione delle caratteristiche degli acciai inossidabili e di quelli armonici è dato dal cosiddetto acciaio 17.4 PH equivalente del più comune Aisi630 che, classificati come ‘inossidabili’, hanno ottime doti di durezza, resistenza alla torsione ed elasticità; sottoposti ad invecchiamento per precipitazione, vengono normalmente utilizzato nel settore nautico per la realizzazione di organi di trasmissione e di winches ma hanno anche vasti impieghi in altri settori, compreso quello aerospaziale.

Anche gli acciai armonici come il 52SiCrNi5 o simili, che non sono acciai inossidabili; possono essere resi difficilmente aggredibili dalla corrosione salina attraverso opportuni trattamenti e, al pari degli inossidabili, devono essere sottoposti a tempra per migliorarne le caratteristiche di durezza e resistenza.

C’è un’altra caratteristica degli acciai molto importante per i nostri scopi ed è la ‘resistenza’, cioè la quantità espressa in kg-forza/mm2 oltre la quale si stima che un determinato tipo di acciaio si spacchi; confrontando le schede tecniche degli acciai inossidabili e quelli armonici (160/180 kg /mm2) si evince che le resistenze sono simili; negli acciai armonici si privilegia il modulo elastico della materia prima mentre negli inossidabili classici si privilegia la resistenza alla corrosione salina, nelle leghe speciali quali il 17.4 PH e i suoi equivalenti si privilegiano entrambe con un occhio di riguardo per la resistenza alle sollecitazioni meccaniche e alla torsione.
Possiamo quindi concludere che gli acciai di ultima generazione, come il 17.4 PH, risultano essere resistenti agli urti, alla torsione, alla corrosione ma anche molto elastici, racchiudendo in un unico prodotto le caratteristiche principali degli acciai inossidabili e di quelli armonici; il risultato che ne deriva si spiega da se.

Le punte sono lavorate al tornio (Foto Omer S.p.A.)

La complessità del processo produttivo e i macchinari necessari per la produzione rendono la fabbricazione delle aste prerogativa di aziende meccaniche altamente specializzate che, a loro volta, si rivolgono ad altre aziende altrettanto specializzate per i processi legati al trattamento termico.
A questo vanno aggiunte le considerazioni di carattere commerciale per cui le quantità minime di acquisto, imposte dai grossisti per tutte le tipologie di acciaio, sono di parecchi quintali, aspetto che rende praticamente impossibile ai privati effettuare prove ed esperimenti che possano ottenere risultati accettabili.
Infatti se le difficoltà nella fabbricazione delle aste fossero legati solo alla fase di lavorazione, si assisterebbe ad una concorrenza spietata di tantissimi produttori; invece le aziende in grado di sostenere costi ed assorbire le quantità imposte dalla produzione delle materie prime, garantendo un prodotto di adeguata qualità, si contano sulle dita di una mano.

Mettendo da parte le questioni più strettamente legate alla siderurgia, alla maggior parte degli appassionati interessa sapere come si comportano le aste, in base al tipo di acciaio utilizzato, nel momento in cui si tira il grilletto.

Controllo micrometrico e di durezza (Foto Omer S.p.A.)

Innanzi tutto dobbiamo puntualizzare che le considerazioni che seguono riguardano prevalentemente i fucili ad elastico; negli oleopneumatici infatti sia il punto di applicazione della forza che spinge il dardo sia la caratteristica costruttiva che impone all’asta di scorrere all’interno della canna annullano i fenomeni che andremo a descrivere.
Inoltre delle nostre riflessioni non fanno parte le questioni legate alla mira che, ovviamente, riguardano esclusivamente il tiratore.

Riassumendo in poche parole i concetti espressi fino a questo punto, possiamo dire che gli acciai inossidabili martensitici, trattati termicamente per migliorarne durezza e resistenza, costituiscono un punto di riferimento per i nostri scopi mentre gli acciai armonici vengono impiegati per giovarsi del loro fattore elastico che entra in gioco in un eventuale impatto con le rocce del fondo o in caso di trazioni e torsioni che potrebbero deformare in modo irrimediabile l’asta.

Ma cosa succede quando premiamo il grilletto?

Contrariamente a quanto si può normalmente ritenere, l’asta che esce dalla sua sede sotto la spinta delle gomme non effettua un percorso rettilineo verso il bersaglio; l’asta infatti comincerà a flettere perdendo la sua naturale idrodinamicità e dissipando verso direzioni che non interessano il bersaglio una parte dell’energia cinetica impressa, con il risultati di pregiudicare pesantemente il buon esito del tiro; è a questo punto che la scelta del materiale può diventare un fattore determinante per il successo del colpo.

Il modulo elastico, caratteristico degli acciai armonici, tenderà a far recuperare all’asta la forma idrodinamica originaria prima di un acciaio inox; con questa aste quindi il tiro risulterà più preciso e con una gittata maggiore in conseguenza della minore dispersione di energia cinetica in direzioni diverse da quella di tiro.

Inoltre è abbastanza intuitivo comprendere come questo effetto sia più marcato sulle aste con sezioni ridotte, come la 6,00 mm, che su aste di maggior diametro, come la 7,00 mm; la flessione che deriva dallo sparo infatti è inversamente proporzionale al diametro e alla lunghezza dell’asta.

Un altro aspetto su cui l’appassionato pone spesso le sue domande riguarda il peso delle aste, che influenza in maniera determinante l’assetto dei nostri fucili, e sulle variazioni dovute alle differenze di lunghezza e diametro.
Per calcolare il peso di un’asta, con sufficiente precisione, è sufficiente utilizzare una semplice formula matematica: area della sezione dell’asta x peso specifico materiale x lunghezza in mm ovvero (raggio x raggio x 3,14) x peso specifico materiale x lunghezza in mm
Ad esempio, se volessimo calcolare il peso di un’asta da 6 mm lunga 140 cm, noto che il peso specifico convenzionale utilizzato per gli acciai è 0,00785, otterremo: (3 x 3 x 3,14) x 0,00785 x 1400= 0,310 kg.
Con la stessa formula otterremo che un’asta da 6,5 mm della stessa lunghezza peserà 0,363 kg, cioè il 17% in più rispetto alla 6 mm.

Dalla differenza di peso si possono trarre alcune evidenti conclusioni; a parità di energia impressa alle due aste prese come esempio, l’asta da 6 mm avrà una maggiore velocità d’uscita avendo una massa minore ma, per lo stesso motivo, avrà minore gittata a causa della minore capacità di opporsi agli attriti con l’acqua (resistenza idrodinamica).
Al contrario l’asta da 6,5 mm che, come dimostrato, ha un peso e quindi una massa superiori avrà una velocità d’uscita inferiore ma, contrastando meglio l’attrito con l’acqua, avrà una maggiore gittata; l’asta da 6,5 inoltre, grazie ad un migliore rapporto tra la sua sezione e la sua lunghezza, fletterà di meno in fase di tiro disperdendo meno energia nel tragitto verso il bersaglio.

Per venire incontro agli appassionati, spesso in preda a dubbi riguardanti la misura dell’asta da utilizzare sui propri arbalete, esistono tabelle che indicano la lunghezza dell’asta ‘consigliata’ in base alla lunghezza del fucile utilizzato; da questo punto in poi tuttavia ci addentriamo in un campo in cui la scelta personale, che tiene conto del bilanciamento dell’arma, della visibilità della linea di mira, del tipo di testata utilizzata diventa un fattore determinante.

Concludiamo con una breve considerazione riguardo ai costi che di solito risultano essere maggiori per le aste inox rispetto a quelle in acciaio armonico, differenza dovuta esclusivamente dal diverso valore della materia prima.