TRATTAMENTI TERMICI

TRATTAMENTI TERMICI

Ricottura, cementazione, bonifica, tempra ad induzione, nitrurazione

TRATTAMENTI “A CUORE”

NORMALIZZAZIONE - Consiste in un riscaldo ad una temperatura superiore ad AC3, per un tempo sufficiente ad austenitizzare completamente il materiale, seguito da raffreddamento in aria calma o mossa. Viene generalmente eseguita su pezzi grezzi di lavorazione a caldo per affinare ed uniformare il grano allo scopo di predisporre l'acciaio nel modo migliore per i successivi trattamenti termici.

RICOTTURA - Lo scopo della ricottura é quello di addolcire l'acciaio per renderlo atto alle lavora­zioni meccaniche e/o plastiche, di eliminare le tensioni residue e di distruggere gli effetti di una deformazione plastica, di una saldatura o di un trattamento termico precedente.

Esistono vari cicli di ricottura la cui scelta viene fatta in relazione alla durezza ed alle strutture necessarie per un determinato tipo di lavorazione. I cicli più usati sono:

- Ricottura subcritica: Comprende un riscaldo a temperatura al di sotto del punto di trasformazione ACl, un mantenimento adeguato a questa temperatura ed infine un raffreddamento a piacere anche in aria libera. Questo trattamento, che per la sua economicità é il più diffuso per gli acciai da costruzione, viene eseguito sia per addolcire l'acciaio che per eliminare tensioni residue ed effetti di deformazione plastica.

La struttura ottenuta è prevalentemente costituita da forme perlitiche globulari molto fini, non sempre ben risolte.

Appartiene a questa classe lo cosiddetta ricottura di lavorabilità che viene normalmente eseguita ad una temperatura di ca. 50 °C al di sotto del punto ACl in modo da addolcire il materiale senza modificarne sostanzialmente lo struttura.

- Ricottura isotermica : Consiste in un riscaldo a temperatura, nell'intervallo ACl + AC3 oppure sopra AC3, seguito da un raffreddamento ad una velocità relativamente elevata fino ad una conveniente temperatura del campo perlitico alla quale si permane per il tempo sufficiente a completare lo trasformazione dopo di che il raffreddamento finale, fino a temperatura ambiente, può essere condotto velocemente con notevole guadagno di tempo.

Questo stato strutturale è particolarmente indicato per ottenere, nel caso di lavorazioni meccaniche particolarmente impegnative, sensibili miglioramenti di lavorabilità all' utensile.

TEMPRA - Il trattamento di tempra comprende un riscaldo di austenitizzazione, seguito da un raffreddamento fino ad una temperatura inferiore ad Ms sufficientemente rapido da permettere lo trasformazione in martensite, struttura di elevata durezza e fragilità. Per poter realizzare una tempra perfetta (o ideale o compieta), cioè con una strut-tura martensitica al 100%, è necessario che lo velocità di raffreddamento sia superiore a quella critica tipica per ogni acciaio.

Gli acciai al "Carbonio" presentano una velocità cri­tica di tempra molto elevata; questa velocità si riduce per la presenza di elementi leganti in modo più o meno marcato a seconda delle percentuali e della natura di essi. In relazione al tipo di acciaio ed alle di­mensioni dei pezzi da temprare verrà scelto il mezzo di spegnimento più adatto: acqua, olio od aria.

RINVENIMENTO - Allo stato temprato l'acciaio presenta una elevata durezza e basse caratteristiche di tenacità. E necessario quindi ricorrere ad un successivo trattamento che ne modifichi più o meno profondamente la struttura martensitica di tempra annullandone le tensioni e la fragilità.

Questo trattamento, denominato rinveni­mento, comprende un riscaldo ad una temperatura inferiore ad ACl, un mantenimento per un certo tempo a questa temperatura ed infine un raffreddamento in un mezzo appropriato fino a temperatura ambiente.

Il rinvenimento deve essere eseguito immediatamente dopo la tempra, per evitare il pericolo di cricche causa l'elevato stato tensionale in cui si trovano i pezzi temprati. La temperatura di rinvenimento va scelta in modo da ottenere il miglior compromesso tra le caratteristiche di durezza e di tenacità.

E noto infatti che con l'aumentare della temperatura si ha un progressivo incremento della tenacità, dell'allungamento e della contrazione e, corrispondentemente, una diminuzione della durezza, della resistenza a trazione e dello snerva­mento.

Quando la temperatura di rinvenimento è intorno ai 600°C il trattamento che ne deriva (tempra e rinvenimento) viene chiamato bonifica e permette di conferire all'acciaio un buon compromesso tra tenacità e resistenza. La struttura che ne deriva è detta sorbite.

DISTENSIONE - Nel caso degli acciai da cementazione o autotempranti, per diminuire e possibilmente annullare le tensioni residue cau­sate dalla tempra pur mantenendo elevati valori di durezza, si ricorre al trattamento di distensione che consiste in un riscaldo a temperature inferiori ai 250°C. In questo caso non si hanno apprezzabili modifiche strutturali.

La distensione viene anche eseguita su pezzi che, dopo le lavorazioni meccaniche, si trovano in uno stato di particolare tensione. In questo caso lo scopo è di ristabilire le caratteristiche meccaniche precedenti, in particolare quelle elastiche (limite di snervamento) e di tenacità.

BONIFICA ISOTERMICA (AUSTEMPERING) - La bonifica isotermica consiste in un trat­tamento unico in quanto il rinvenimento si può di regola tralasciare e presenta il vantaggio di non dar luogo a deformazioni e spaccature tensionali, come può avvenire nella tempra convenzionale.

Una seria limitazione di questo trattamento è dovuta alla sua scarsa penetrazione che non va oltre 30 mm per il tipo 39NiCrMo3 ed oltre 40 mm per il tipo 40NiCrMo7

TEMPRA SCALARE MARTENSITICA - Questo trattamento ha lo scopo di annullare gli inconvenienti della tempra convenzionale che sviluppa pericolose tensioni interne nel raffreddamento brusco nei ba­gni di tempra; queste tensioni possono facilmente provocare scarti per cricche e deformazioni soprattutto nei pezzi di forma complessa e con forti variazioni di sezione.

Alla tempra scalare segue un normale rin­venimento per ottenere le caratteristiche richieste.

SOLUBILIZZAZIONE (Tempra degli acciai austenitici) - Questo trattamento, chiamato anche "tempra di solubilizzazione" o "ipertempra", ha in comune con la tempra soltanto la velocità di raffreddamento dalla temperatura di austenitizzazione, ma non gli effetti di indurimento che essa provoca negli acciai temprabili; ricor­diamo infatti che i punti di trasformazione dei cosiddetti "acciai austenitici" si trovano al di sotto della temperatura ambiente.

Esso consiste in un riscaldo a temperatura in genere compresa fra i 1000 e i 1100 °C, con una permanenza a questa temperatura sufficiente per eliminare le alterazioni strutturali provocate dalle lavorazioni precedenti e per realizzare una "solubilizzazione" possibilmente completa dei carburi nell'austenite; il raffreddamento successivo, in aria o acqua, deve essere sufficientemente rapido da impedire la riprecipitazione dei carburi che, in un raffreddamento lento, avviene in genere nell'intervallo fra i 450 e gli 850°C circa. Con tale trattamento si ottiene il massimo addolcimento degli acciai inossidabili austenitici.

TRATTAMENTI DI INDURIMENTO SUPERFICIALE

Tempra superficiale (o anche in tutta la sezione) con riscaldo ad induzione - Questo trattamento richiede impiego di apparecchiature particolari, che consistono essenzialmente in una bobina percorsa da corrente ad alta frequenza generante un campo magnetico. Mettendo il pezzo di acciaio entro questa bobina si genera in esso una corrente indotta che, per effetto Joule, riscalda rapidissimamente l'acciaio sopra Ac3. L'acqua di tempra può essere addotta dalla stessa spirale di rame che fa da induttore, oppure da condutture separate ma sempre vicine all'induttore. Con frequenze molto elevate (100.000 - 600.000 Hz) il riscaldamento interessa uno strato superficiale molto sottile, ma diminuendo la frequenza (2.000 - 20.000 Hz) possono essere ottenute maggiori profondità di riscaldo.

Con frequenze ancora più basse si ottengono riscaldi totali fino al cuore e questa particolarità viene sfruttata negli impianti di tempra (e successivo rinvenimento) a passaggio con riscaldo ad induzione.

Cementazione - La "carbocementazione" o più semplicemente "cementazione", ha lo scopo di ottenere un prodotto che, dopo i successivi trattamenti termici, presenti uno strato superficiale durissimo e resistente all'usura, unitamente ad un cuore tenace. Essa consiste nella carburazione superficiale di acciai a basso tenore di carbonio, ottenuta mediante lungo mantenimento ad alta temperatura in mezzi capaci di cedere tale elemento.

Nitrurazione - È una operazione di indurimento superficiale analoga alla precedente; in questo caso l'elemento assorbito è l'azoto. L'operazione consiste in un prolungato mantenimento a circa 500°C in mezzi capaci di cedere detto elemento; a differenza della cementazione, essa viene eseguita su materiale già bonificato e non richiede trattamenti successivi.

Gli acciai da nitrurazione sono veri e propri acciai da bonifica contenenti elementi speciali (alluminio, cromo, molibdeno, vanadio). L'indurimento superficiale è dovuto alla formazione di azoturi assai duri (di alluminio, cromo, ect.), mentre la presenza del molibdeno è indispensabile allo scopo di combattere la fragilità di rinvenimento che altrimenti l'acciaio assumerebbe durante la nitrurazione.

La nitrurazione, come la cementazione ed in genere come tutti i procedimenti di indurimento superficiale, ha lo scopo di aumentare, oltre la resistenza all'usura, anche la resistenza alla fatica.

Si ricorda:

- l'indurimento superficiale, mediante la nitrurazione, è dovuto alla formazione di azoturi di alluminio-cromo-vanadio e ferro nell'acciaio ed è quindi conseguenza di una reazione chimica e non di una trasformazione strutturale degli acciai, per trattamento termico, come avviene invece per tutti gli altri processi di indurimento superficiale (cementazione, tempra superficiale, ecc.);

- l'azoto assorbito in superficie, si diffonde lentamente negli strati sottostanti fino a raggiungere profondità massime di qualche decimo di millimetro (circa 5/10 per 55 ore di effettiva permanenza a temperatura)

Caratteristiche degli strati superficiali induriti con varie tecniche.

Trattamento

superficiale

Durezza

strato

superficiale

Resistenza

all'usura

Caratte-

ristiche

carico

di contatto

Resistenza

alla fatica

per

piegamento

Resistenza

al

grippaggio

Controllo

distorsioni

e

dimensioni

Tendenza

alle

spaccature

di tempra

Costo

acciaio

impiegato

Investi-

mento

di capitali

richiesto

Spessore

strato

superficiale

Cementazione

Alta

Alta

Buone

Buona

Buona

Sufficiente

Minima

Basso

medio

Alto

Medio

Carbonitrurazione

Alta

Alta

Discrete

Buona

Buona

Buono

Minima

Basso

Medio

Basso

medio

Nitrurazione

Altissima

Altissima

Discrete

Buona

Eccellente

Eccellente

Minima

Medio

alto

Medio

Basso

Tempra superficiale

ad induzione

Alta

Alta

Buone

Buona

Discreta

Discreto

Bassa

Basso

Medio

Alto

Tempra superficiale

alla fiamma

Alta

Alta

Buone

Buona

Discreta

Discreto

Bassa

Basso

Basso

Alto

Tempra superficiale

LASER

Alta

Alta

Buone

Buona

Discreta

Discreto

Bassa

Basso

Alto

Alto