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I trattamenti termici degli acciai

Per trattamento termico di un acciaio si intende il ciclo termico di riscaldamento effettuato in predeterminate condizioni e temperature a cui devono seguire raffreddamenti più o meno controllati con lo scopo di fare assumere all’acciaio quelle strutture cristalline che gli conferiscono determinate proprietà meccaniche o tecnologiche.
Per eseguire un trattamento termico bisogna conoscere le dimensioni del pezzo, le curve di Bain dell’acciaio o almeno i punti critici. Inoltre il trattamento termico deve esser effettuato in un ambiente protetto.
Conosciamo diversi trattamenti termici:
- Ricotture;
- tempre;
- rinvenimenti;
- bonifica;
- trattamenti termochimici di diffusione.

Le ricotture
La ricottura è un termine che fa riferimento a quei trattamenti termici che comprendono un riscaldamento a una temperatura non molto diversa da A3 ( punto di valore per gli acciai ipotettoidi). Può variare e corrisponde alla linea di trasformazione in Austenite nelle curve di Bain per un certo tempo a cui fa seguito un raffreddamento piuttosto lento che dà luogo alle strutture previste dal diagramma ferro carbonio (Fe-C).

Il tempo di mantenimento alla temperatura intorno ad A3 è deciso dall’esperienza del lavoratore, può essere lunga al fine di ottenere gli scopi del trattamento termico (molto spesso per la completa austenizzazione) ma non eccessivamente perché si rischia un ingrossamento dei grani di Austenite e quindi un infragilimento dopo il raffreddamento.
Gli scopi della ricottura sono:
- rendere più tenero l’acciaio;
- renderlo più lavorabile alle macchine utensili;
- eliminare le tensioni interne;
- omogenizzare la struttura cristallina.
Gli scopi della ricottura sono tanti e per questo motivo possiamo classificarle anche se le differenze tra loro sono minime:
- ricottura completa
- ricottura isotermica
- ricottura di normalizzazione o normalizzazione.

Ricottura completa
La ricottura completa comprende tre fasi:
1. lento riscaldamento a una temperatura di 20/50 °C sopra A3;
2. mantenimento a tale temperatura;
3. raffreddamento lento fino ad una certa temperatura e dopo di essa può esser accelerato
Dobbiamo inoltre precisare che: le fasi della ricottura completa si riferiscono ad un acciaio ipoeutettoide ( C < 0.83% ). Il riscaldamento avviene lento e ciò comporta che la temperatura del pezzo, sia esternamente che internamente, è simile. Il mantenimento non deve avere una temperatura eccessiva e deve avere una durata che permetta la completa austenizzazione dell’acciaio. Il raffreddamento deve esser lento almeno sino a quando la temperatura è al di sotto dell’intervallo critico, da lì si può accelerare. Bisogna evitare che il pezzo si bruci altrimenti è inservibile.

Alla fine si avrà la formazione di una struttura perlitica e l’acciaio otterrà diversi effetti:
- omogeneizzazione;
- maggior lavorabilità;
- maggior deformabilità a freddo.

Ricottura isotermica
È il trattamento termico dove ha una temperatura costante in certi tratti. Comprende le fasi seguenti:
1. riscaldamento lento superiore ad A3 per gli acciai ipoeutettoidi e ad A1 per gli acciai ipereutettoidi, sempre e comunque sopra l’intervallo critico;
2. mantenimento a quella temperatura per ottenere l’austenizzazione;
3. raffreddamento molto rapido sino alla temperatura al di sotto di Ar1;
4. mantenimento a quella temperatura finché vi sarà la completa trasformazione dell’Austenite nelle altre strutture (ferrite + perlite o cementite + perlite);
5. raffreddamento ad aria fino ad temperatura ambiente.
Con questo trattamento termico si otterrà sia la struttura sia lea proprietà che si ottiene con la ricottura completa.

Ricottura di normalizzazione
La ricottura di normalizzazione, o anche chiamata normalizzazione e comprende le seguenti fasi:
1. riscaldamento a una temperatura di 40/80 °C sopra A3 per gli acciai ipoeutettoidi e ad A1 per gli acciai ipereutettoidi, sempre e comunque sopra l’intervallo critico;
2. mantenimento a quella temperatura per ottenere l’austenizzazione;

3. raffreddamento mediamente veloce, in aria, ma più lento della velocità critica inferiore (è la velocità più lenta che io posso impostare al raffreddamento affinché io ottenga solo martensite).
Si esegue questo trattamento termico al fine di rendere fine e omogenea un struttura anomala come ad esempio: cristalli ingrossati per surriscaldamento, tutti i pezzi meccanici ottenuti a caldo.

Le tempre
La tempra è un trattamento termico generico che comprende cicli diversi con in comune delle caratteristiche.
- Un riscaldamento a temperatura superiore dell’intervallo critico;
- un mantenimento a tale temperatura per un tempo sufficiente per ottenere l’austenizzazione;
- un raffreddamento con velocità superiore alla velocità critica di tempra fino ad una temperatura prossima a Ms;
- un successivo raffreddamento che varia da tempra a tempra, a seconda dei risultati che si vuole ottenere.
I forni delle tempre sono quasi sempre quelli che si usano per le ricotture.
Lo scopo delle tempre, dove alla fine servirà obbligatoriamente un successivo trattamento termico, è quello di conferire al pezzo:
- maggior durezza;
- più elevato carico di rottura;
- più elevato carico dal limite di elasticità;
- più elevata resistenza all’usura;
- più elevata resistenza alle sollecitazioni di fatica.
Si avranno anche degli svantaggi però, come ad esempio:
- diminuzione della resilienza;
- diminuzione dell’allungamento percentuale a rottura;
- una diminuzione della strizione;
- tensioni elevate all’interno del pezzo

- distorsione.
Lo scopo principale è quello di indurire il pezzo, se le caratteristiche iniziali non sono adeguate e possiamo eseguire la tempra per migliorarle, la si esegue e si otterranno indurimenti sulla superficie.
Le tempre, come abbiamo detto, sono tanti trattamenti termici con delle fasi in comune. Possiamo comunque classificarle e identificarle:
- tempra diretta o tempra classica;
- tempra scalare martensitica o Tempra in due tempi;
- tempra scalare bainitica o Tempra isoterma o Tempra isotermica;
- tempra superficiale.

Tempra diretta o tempra classica
La tempra classica comprende tre fasi:
1. riscaldamento a una temperatura di 20/50 °C superiore ad A3 per gli acciai ipoeutettoidi e ad A1 per gli acciai ipereutettoidi, sempre e comunque sopra l’intervallo critico;
2. mantenimento a quella temperatura per ottenere l’austenizzazione;
3. raffreddamento fino a temperatura ambiente con velocità paro o più elevata di quella critica. Si sceglierà la tempra che permetterà di ottenere solo martensite e che sia meno drastica.

Tempra scalare martensitica o tempra in due tempi
Comprende le seguenti fasi:
1. riscaldamento a una temperatura di 20/50 °C superiore ad A1 per gli acciai ipereutettoidi, sempre e comunque sopra l’intervallo critico;
2. mantenimento a quella temperatura per ottenere l’austenizzazione;
3. raffreddamento sino a una temperatura leggermente superiore a Ms ottenuto con una velocità superiore a quella critica di tempra;
4. mantenimento a quella temperatura per il tempo sufficiente perché tutto il pezzo sia uniformemente raffreddato, ma non tale da provocare l’inizio della trasformazione dell’austenite;

5. raffreddamento finale in aria sino a temperatura ambiente con la conseguente formazione di una struttura martensitica
La si esegue poiché evita le tensioni nel pezzo perché la trasformazione Austenite-martensite è contemporanea su tutto il pezzo.

Tempra scalare bainitica o tempra isotermica o isoterma
Comprende le seguenti fasi:
1. riscaldamento a una temperatura di 20/50 °C superiore ad A1 per gli acciai ipereutettoidi, sempre e comunque sopra l’intervallo critico;
2. mantenimento a quella temperatura per ottenere l’austenizzazione;
3. raffreddamento sino a 10/30 °C sopra la temperatura Ms ottenuto con una velocità superiore a quella critica di tempra;
4. mantenimento a tale temperatura sino alla parziale trasformazione dell’Austenite in bainite oppure alla totale trasformazione dell’Austenite in bainite;
5. raffreddamento finale, a velocità qualsiasi, sino a temperatura ambiente.
Come nei precedenti trattamenti termici, il raffreddamento viene eseguito gettando il pezzo in un bagno di Sali (se è agitato è meglio) a temperatura di poco superiore al valore Ms. Una volta avvenuta parziale o totale trasformazione in bainite, il pezzo viene estratto dal bagno e raffreddato a d aria. La struttura finale sarà formata da: bainite inferiore + martensite, oppure bainite inferiore. Nel primo caso troveremo delle tensioni da togliere con un rinvenimento, nel secondo caso la bainite ha buone caratteristiche di durezza, resilienza e di resistenza a rottura perciò si potrebbe evitare il secondo trattamento termico. La tempra scalare bainitica è eseguita su pezzi soggetti a distorsioni o rotture.

Tempra superficiale
La tempra superficiale è una tempra completa eseguita solo in uno strato superficiale esterno di minimo spessore (da 0.1 a qualche mm). A essa segue un rinvenimento di distensione a 180/200 °C. Le fasi di questa tempra differiscono nettamente dalle altre fasi delle altre tempre, in questo modo possiamo classificare ulteriormente la tempra superficiale in:
- tempra superficiale a induzione;
- tempra superficiale alla fiamma o flammatura.
La tempra superficiale a induzione consiste nel inserire il pezzo da trattare in una bobina a più spire percorse da corrente alternata a elevata frequenza, in questo modo si formeranno delle correnti indotte sulla superficie ed essendo ad alta frequenza e intensità. In poco tempo la superficie diverrà incandescente e sicuramente con una struttura austenitica. Successivamente vi sarà il raffreddamento ottenuto lasciando cadere il pezzo incandescente in un bagno d’acqua o olio.
La flammatura consiste nel riscaldare il pezzo da trattare con la fiamma ossiacetilenica. Sarà più economica della prima ma sicuramente non avremo dei risultati sicuri vista la difficoltà di controllo della fiamma.

Rinvenimento
Questo trattamento termico comprende le fasi seguenti:
1. riscaldamento sino a temperatura che può essere bassa o alta ma sempre inferiore all’intervallo critico;
2. mantenimento a questa temperatura per qualche ora (all’incirca dalle 2 alle 10 h);
3. raffreddamento piuttosto veloce (in acqua o olio) per gli acciai soggetti alla fragilità al rinvenimento e a velocità qualsiasi per tutti gli altri acciai.
È eseguito sempre dopo una tempra. Per quanto riguarda la temperatura del rinvenimento, ne distinguiamo due casi:
- rinvenimento a bassa temperatura: non cambia la struttura martensitica ma ne diminuisce la durezza così che diminuiscono le tensioni interne e aumenta la resilienza;
- rinvenimento ad alta temperatura: la struttura martensitica si trasforma completamente in una struttura diversa, modificandone tutte le proprietà.

Bonifica
Comprende le seguenti fasi:
1. riscaldamento alla temperatura di tempra e mantenimento per il tempo necessario sino alla completa austenizzazione;
2. raffreddamento sino alla temperatura ambiente con una velocità superiore alla velocità critica;
3. riscaldamento immediato ad una temperatura al di sotto dell’intervallo critico;
4. mantenimento a quella temperatura per il tempo necessario alla trasformazione della martensite nella struttura denominata sorbite;
5. raffreddamento alla velocità rapida per gli acciai suscettibili alla fragilità di rinvenimento oppure qualsiasi per gli altri acciai.
La bonifica si può definire come una tempra seguita da un rinvenimento a temperatura relativamente alta.

Bonifica isotermica
E' una bonifica che comprende le seguenti fasi:
1. riscaldamento sino alla temperatura di tempra;
2. mantenimento alla temperatura di tempra sino alla completa austenizzazione;
3. raffreddamento più veloce della velocità critica sino ad una temperatura tra l’intervallo critico e Ms;
4. mantenimento a quella temperatura sino alla completa trasformazione dell’Austenite in una struttura intermedia;
5. raffreddamento finale più o meno rapido sino alla temperatura ambiente;

Trattamenti termochimici di diffusione
Sono anche comunemente chiamate cementazioni e si intendono i trattamenti termici mediante i quali si modificano più o meno profondamente la composizione di una lega ferrosa costituente un pezzo per diffusione di un elemento a partire dalla superficie. Tra questi trattamenti termici ve ne sono alcuni che possono esser seguiti da un altro complementare.
Se il pezzo da trattare è un acciaio, la combinazione chimica interessa solo la superficie dei pezzi, se invece si parla di altri materiali, la modifica interessa anche la parte interna del pezzo.
Per realizzare questi trattamenti necessitano due condizioni:
- la possibilità da parte dell’acciaio di assorbire un determinato elemento: ciò avviene solo se è austenizzato;
- l’assorbimento deve avvenire regolando tempo e temperatura nella misura desiderata.

Carbocementazione o Cementazione
Il processo di Carbocementazione, o semplicemente cementazione, è un trattamento termico che aumenta la percentuale di carbonio in uno strato superficiale dei pezzi di acciaio e, dopo un successivo trattamento termico, produce un’elevata durezza della superficie stessa.
Comprende le seguenti fasi:
1. riscaldamento dei pezzi di acciaio dolce a una temperatura di 900/930 °C in un mezzo contenente carbonio allo stato atomico;
2. mantenimento a questa temperatura e ambiente per un tempo proporzionale allo spessore dello strato superficiale che si desidera carbocementare;
3. successivo trattamento termico di tempra;
4. rinvenimento a 130/150 °C per attenuare le tensioni sorte nello strato superficiale martensitico dei pezzi.

Nitrurazione
Il trattamento termico di nitrurazione consiste in un riscaldamento a 560/590 °C dei pezzi di acciaio da trattare in forni contenenti azoto allo stato atomico. L’assorbimento superficiale di questo elemento provoca la formazione di azoturi o nitruri di ferro che impartiscono grande durezza.

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