4 tipi di trattamento termico dell'acciaio

Il trattamento termico dell'acciaio è un processo che prevede il riscaldamento, il mantenimento e il raffreddamento dell'acciaio allo stato solido per modificarne la microstruttura interna e ottenere le proprietà desiderate. Il trattamento termico può eliminare difetti nei componenti grezzi come getti e forgiati, migliorare le proprietà di processo dell'acciaio come lavorabilità e formabilità e potenziare le proprietà meccaniche. Sfruttando il potenziale dell'acciaio, il trattamento termico contribuisce a ridurre i costi di produzione, migliorare le prestazioni di servizio dei componenti e prolungare la durata del prodotto.

I. Tempra

La tempra dell'acciaio è un processo di trattamento termico in cui l'acciaio viene riscaldato a una temperatura superiore alla temperatura critica Ac3 per l'acciaio ipoeutettoidico o Ac1 per l'acciaio ipereutettoidico, mantenuto a tale temperatura per un certo periodo di tempo per ottenere un'austenitizzazione completa o parziale, e quindi raffreddato rapidamente a una velocità superiore alla velocità di raffreddamento critica fino a una temperatura inferiore alla temperatura Ms, oppure mantenuto isotermicamente vicino a Ms per favorire la trasformazione martensitica.

Il termine tempra viene comunemente utilizzato anche per riferirsi al trattamento di solubilizzazione o a qualsiasi trattamento termico che comporti il ​​raffreddamento rapido di altri materiali, come leghe di alluminio , leghe di rame e leghe di titanio.

Scopo della tempra

• Migliorare le proprietà meccaniche di semilavorati o componenti metallici. Ad esempio, per aumentare la durezza e la resistenza all'usura di utensili e cuscinetti, migliorare il limite elastico delle molle e potenziare le proprietà meccaniche complessive dei componenti dell'albero.
• Migliorare le proprietà chimiche o materiali di alcuni acciai speciali. Gli esempi includono l'aumento della resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile o potenziando il magnetismo permanente dell'acciaio magnetico.

Durante il raffreddamento, oltre alla scelta del mezzo di tempra appropriato, è necessario impiegare il metodo di tempra corretto. I metodi di tempra più comuni includono: tempra a bagno singolo, tempra a bagno doppio, tempra a bagno continuo, tempra a bagno continuo e tempra localizzata.

Caratteristiche dell'acciaio dopo la tempra

• Formazione di microstrutture instabili o non in equilibrio come martensite, bainite e austenite residua.
• La presenza di elevate tensioni interne o tensioni residue.
• Le proprietà meccaniche risultanti sono generalmente inadeguate all'impiego. Pertanto, i pezzi in acciaio richiedono generalmente un successivo rinvenimento dopo la tempra.

II. Tempra

La tempra è un processo di trattamento termico che prevede il riscaldamento di un prodotto o componente metallico temprato a una temperatura specifica, il mantenimento di tale temperatura per un certo periodo e il successivo raffreddamento a velocità controllata. La tempra viene eseguita immediatamente dopo la tempra ed è solitamente la fase finale di un trattamento termico. Il processo combinato di tempra e rinvenimento viene spesso definito trattamento finale o processo di tempra e rinvenimento.

Scopi della tempra

• Riduce le tensioni interne e la fragilità. I ​​pezzi temprati presentano elevate tensioni e fragilità e, senza un rinvenimento tempestivo, sono soggetti a deformazione o addirittura a criccatura.
• Regolare le proprietà meccaniche del pezzo. Dopo la tempra, un componente presenta elevata durezza e elevata fragilità. Il rinvenimento viene utilizzato per regolare la combinazione di durezza, resistenza, duttilità (plasticità) e tenacità per soddisfare i diversi requisiti prestazionali dei vari componenti.
• Stabilizzare le dimensioni del pezzo. Il rinvenimento favorisce la stabilizzazione della microstruttura, garantendo che non si verifichino ulteriori variazioni dimensionali durante l'utilizzo successivo.
• Migliorare la lavorabilità di alcuni acciai legati.
• Migliora la stabilità microstrutturale, prevenendo cambiamenti microstrutturali durante la vita utile del pezzo e mantenendo così geometria e prestazioni stabili.
• Elimina le sollecitazioni interne, migliorando le prestazioni di servizio e stabilizzando la geometria del pezzo.
• Adattare le proprietà meccaniche dell'acciaio per soddisfare i requisiti di servizio.

Questi effetti si verificano perché temperature più elevate aumentano la mobilità atomica, consentendo agli atomi di ferro, carbonio e altri elementi di lega di diffondersi più rapidamente. Ciò facilita il riarrangiamento e la ricombinazione degli atomi, trasformando gradualmente la microstruttura instabile e non in equilibrio in una microstruttura stabile e in equilibrio. L'eliminazione delle tensioni interne è anche correlata alla diminuzione della resistenza del metallo a temperature elevate.

Generalmente, la tempra dell'acciaio comporta una diminuzione della durezza e della resistenza e un aumento della duttilità. Maggiore è la temperatura di rinvenimento, maggiore è la variazione di queste proprietà meccaniche. Tuttavia, alcuni acciai altolegati, se rinvenuti entro un certo intervallo di temperatura, precipitano composti metallici fini, causando un aumento di resistenza e durezza. Questo fenomeno è noto come tempra secondaria.

Requisiti di tempra: i pezzi lavorati con diverse applicazioni devono essere temprati a temperature diverse per soddisfare i requisiti di servizio.

• Rinvenimento a bassa temperatura (150-250 °C): viene utilizzato per utensili, cuscinetti, parti cementate e temprate e parti temprate superficialmente. Il rinvenimento a bassa temperatura comporta una variazione minima della durezza, una riduzione delle tensioni interne e un leggero aumento della tenacità.
• Rinvenimento a media temperatura (350-500°C): viene utilizzato nelle molle per ottenere elevata elasticità e la necessaria tenacità.
• Rinvenimento ad alta temperatura (500-600°C): viene applicato a parti realizzate in acciaio strutturale a medio tenore di carbonio per ottenere una combinazione favorevole di resistenza e tenacità.

Quando l'acciaio viene rinvenuto a circa 300 °C, la sua fragilità spesso aumenta. Questo fenomeno è noto come fragilità da rinvenimento di tipo I. Il rinvenimento in questo intervallo di temperatura dovrebbe essere generalmente evitato. Alcuni acciai strutturali legati a medio tenore di carbonio tendono inoltre a diventare fragili se raffreddati lentamente a temperatura ambiente dopo il rinvenimento ad alta temperatura. Questo fenomeno è chiamato fragilità da rinvenimento di tipo I.

L'aggiunta di molibdeno all'acciaio, o il raffreddamento rapido in olio o acqua durante la tempra, può prevenire la fragilità da rinvenimento di tipo II. Riscaldare nuovamente l'acciaio soggetto a fragilità da rinvenimento di tipo II alla temperatura di rinvenimento originale può eliminare questa fragilità.

Nella produzione, la tempra viene spesso classificata in base alla temperatura di riscaldamento, in base alle proprietà richieste:

• Rinvenimento a bassa temperatura (150-250 °C): la microstruttura è martensite rinvenuta. Riduce le tensioni interne e la fragilità, migliora la duttilità e la tenacità e mantiene elevata durezza e resistenza all'usura. Utilizzato per calibri, utensili da taglio e cuscinetti volventi.
• Rinvenimento a media temperatura (350-500 °C): la microstruttura è troostite. Raggiunge elevata elasticità con una certa duttilità e durezza. Utilizzato per molle e stampi per forgiatura.
• Rinvenimento ad alta temperatura (500-650 °C): la microstruttura è sorbite. Ottiene eccellenti proprietà meccaniche complessive. Utilizzato per ingranaggi e alberi motore.

La combinazione di tempra seguita da rinvenimento ad alta temperatura è detta tempra e rinvenimento, e garantisce un'elevata resistenza abbinata a buona duttilità e tenacità.

III. Normalizzazione

La normalizzazione è un trattamento termico progettato per migliorare la tenacità dell'acciaio. Consiste nel riscaldare un componente in acciaio a una temperatura da 30 a 50 °C superiore alla temperatura Ac3, mantenerla per un certo periodo e quindi raffreddarla in aria ferma all'esterno del forno. La caratteristica principale è che la velocità di raffreddamento è più rapida della ricottura ma più lenta della tempra. La normalizzazione sfrutta questo raffreddamento leggermente più rapido per affinare la struttura granulare dell'acciaio. Ciò non solo consente di ottenere una resistenza soddisfacente, ma migliora anche significativamente la tenacità (misurata dal valore AKV) e riduce la suscettibilità del componente alla criccatura. Le proprietà meccaniche complessive di alcune lamiere laminate a caldo in acciaio bassolegato, forgiati in acciaio bassolegato e getti possono essere notevolmente migliorate dopo la normalizzazione, migliorandone anche la lavorabilità.

Applicazioni della normalizzazione

Acciaio ipoeutettoidico: la normalizzazione viene utilizzata per eliminare le strutture granulari grossolane e surriscaldate e le strutture di Widmanstätten in getti, forgiati e saldature, nonché per rimuovere le bande nei prodotti laminati. Affina i grani e può essere utilizzata come trattamento termico preliminare prima della tempra.

Acciaio ipereutettoidico: la normalizzazione può eliminare la rete o la pellicola di confine dei grani della cementite secondaria e raffinare la perlite, il che non solo migliora le proprietà meccaniche, ma facilita anche la successiva ricottura di sferoidizzazione.

Acciaio a basso tenore di carbonio: la normalizzazione produce una maggiore quantità di perlite lamellare fine, aumentando la durezza a HB 140-190. Ciò impedisce l'"incollamento" durante il taglio e migliora la lavorabilità. Per gli acciai a medio tenore di carbonio, la normalizzazione è spesso più economica e conveniente quando sia la normalizzazione che la ricottura sono opzioni praticabili.

Acciaio strutturale a medio tenore di carbonio: laddove i requisiti di proprietà meccaniche non siano elevati, la normalizzazione può sostituire la tempra e il rinvenimento ad alta temperatura. Ciò semplifica l'operazione e stabilizza la microstruttura e le dimensioni dell'acciaio.

Normalizzazione ad alta temperatura (da 150 a 200 °C sopra Ac3): grazie all'elevata velocità di diffusione a temperature elevate, questo processo può ridurre la segregazione dei componenti in getti e forgiati. I grani grossolani risultanti dalla normalizzazione ad alta temperatura possono essere raffinati mediante una seconda fase di normalizzazione a temperatura inferiore.

Per alcuni acciai legati a basso e medio tenore di carbonio utilizzati nelle turbine a vapore e nelle caldaie, si ricorre spesso alla normalizzazione per ottenere una struttura bainitica, seguita da rinvenimento ad alta temperatura, che garantisce una buona resistenza allo scorrimento viscoso a 400-550 °C.

Oltre ai componenti e ai materiali in acciaio, la normalizzazione è ampiamente utilizzata nel trattamento termico della ghisa duttile (sferoidale) per ottenere una matrice perlitica, aumentandone così la resistenza.

Poiché il raffreddamento ad aria è caratteristico della normalizzazione, la temperatura ambiente, il metodo di impilamento, il flusso d'aria e le dimensioni del pezzo in lavorazione influenzano la microstruttura e le proprietà risultanti. La microstruttura normalizzata può essere utilizzata anche come metodo di classificazione per gli acciai legati. Gli acciai legati sono tipicamente classificati in acciai perlitici, bainitici, martensitici e austenitici in base alla microstruttura ottenuta riscaldando un campione di 25 millimetri di diametro a 900 °C e raffreddandolo ad aria.

IV. Ricottura

La ricottura è un processo di trattamento termico dei metalli che prevede il riscaldamento lento del metallo fino a una temperatura specifica, il mantenimento di tale temperatura per un tempo sufficiente e il successivo raffreddamento a una velocità adeguata. I trattamenti termici di ricottura si suddividono in ricottura completa, ricottura incompleta e ricottura di distensione. Le proprietà meccaniche dei materiali ricotti possono essere verificate mediante prove di trazione o prove di durezza. Molti acciai vengono forniti allo stato ricotto. Per la prova di durezza dell'acciaio si può utilizzare il durometro Rockwell, mentre per lamiere, nastri e tubi a parete sottile si può impiegare il durometro Rockwell superficiale.

Scopi della ricottura

• Migliorare o eliminare vari difetti microstrutturali e tensioni residue causati da fusione, forgiatura, laminazione e saldatura, prevenendo così la deformazione e la formazione di crepe nel pezzo.
• Ammorbidisci il pezzo in lavorazione per una lavorazione più facile Lavorazione.
• Affinare la struttura dei grani e migliorare la microstruttura per potenziare le proprietà meccaniche del pezzo.
• Preparare la microstruttura per il trattamento termico finale.

Processi di ricottura comuni

Ricottura completa o ricottura di omogeneizzazione: viene utilizzata per affinare la microstruttura grossolana e surriscaldata con scarse proprietà meccaniche, derivante da fusione, forgiatura e saldatura di acciai a medio e basso tenore di carbonio. Il pezzo viene riscaldato a una temperatura compresa tra 30 e 50 °C superiore a quella in cui tutta la ferrite si trasforma in austenite, mantenuto per un certo periodo di tempo e poi raffreddato lentamente in forno. Durante il raffreddamento, l'austenite si ritrasforma, dando origine a una microstruttura dell'acciaio raffinata.

Ricottura di sferoidizzazione: viene utilizzata per ridurre l'elevata durezza dell'acciaio per utensili e dell'acciaio per cuscinetti dopo la forgiatura. Il pezzo viene riscaldato a una temperatura compresa tra 20 e 40 °C superiore a quella in cui l'acciaio inizia a formare austenite, mantenuto e quindi raffreddato lentamente. Durante il raffreddamento, la cementite lamellare presente nella perlite si trasforma in particelle globulari o sferiche, riducendone la durezza.

Ricottura isotermica: viene utilizzata per ridurre l'elevata durezza di alcuni acciai strutturali legati ad alto contenuto di nichel e cromo per lavorazioni meccaniche. I pezzi vengono in genere raffreddati relativamente rapidamente alla temperatura alla quale l'austenite è più instabile, mantenuta per un tempo adeguato, dopodiché l'austenite si trasforma in troostite o sorbite, riducendone la durezza.

Ricottura di ricristallizzazione: viene utilizzata per eliminare l'effetto di incrudimento (aumento della durezza, riduzione della duttilità) nei fili e nelle lamiere metalliche causato dalla trafilatura e dalla laminazione a freddo. La temperatura di riscaldamento è generalmente compresa tra 50 e 150 °C al di sotto della temperatura alla quale l'acciaio inizia a formare austenite. Questo intervallo è necessario per eliminare l'effetto di incrudimento e addolcire il metallo.

Ricottura di grafitizzazione: utilizzata per trasformare la ghisa contenente un'elevata quantità di cementite in ghisa duttile o malleabile con buona plasticità. Il processo prevede il riscaldamento della fusione a circa 950 °C, il mantenimento della temperatura per un certo tempo e il successivo raffreddamento appropriato, che provoca la decomposizione della cementite e la formazione di grafite flocculante.

Ricottura per diffusione o omogeneizzazione: viene utilizzata per omogeneizzare la composizione chimica dei getti in lega e migliorarne le prestazioni. Il metodo prevede il riscaldamento del getto alla massima temperatura possibile senza causarne la fusione e il mantenimento della stessa per un tempo prolungato. Ciò consente ai vari elementi della lega di diffondersi verso una distribuzione uniforme prima che il getto venga raffreddato lentamente.

Ricottura di distensione: utilizzata per eliminare le tensioni interne nei getti di acciaio e nei componenti saldati. Per i prodotti in acciaio, il riscaldamento a una temperatura compresa tra 100 e 200 °C inferiore a quella di inizio formazione dell'austenite, il mantenimento e il successivo raffreddamento in aria eliminano le tensioni interne.