La tempra svolge un ruolo cruciale nel trattamento termico, poiché può aumentare la resistenza e la durezza dell'acciaio. Combinando la tempra con il rinvenimento a diverse temperature, è possibile ottenere diverse combinazioni di resistenza, plasticità e tenacità per diverse applicazioni.
Panoramica della tempra
La tempra è una trattamento termico Processo che prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura superiore al punto critico Ac3 (per acciaio ipoeutettoidico) o Ac1 (per acciaio ipereutettoidico) e il mantenimento di tale temperatura per un periodo di tempo specifico, al fine di ottenere un'austenitizzazione totale o parziale. Successivamente, il materiale viene raffreddato a una velocità superiore alla velocità critica di tempra per trasformare l'austenite sottoraffreddata in microstrutture martensitiche o bainitiche inferiori.
Lo scopo della tempra è quello di facilitare la trasformazione dell'austenite sottoraffreddata in martensite o bainite, ottenendo così microstrutture specifiche. In combinazione con tempra A diverse temperature, questo trattamento termico migliora la resistenza, la durezza, la resistenza all'usura, la resistenza alla fatica e la tenacità dell'acciaio per soddisfare i requisiti operativi dei componenti meccanici. La tempra può essere utilizzata anche per soddisfare specifici requisiti fisici o chimici, come il ferromagnetismo o la resistenza alla corrosione in alcuni acciai.
Principi di tempra
Il principio fondamentale del processo di tempra è quello di riscaldare rapidamente un pezzo metallico a una temperatura specifica, mantenerla tale per trasformare la struttura interna in austenite e quindi immergerlo rapidamente in un mezzo di tempra. Questo rapido raffreddamento produce fasi temprate come martensite o bainite, migliorando così la durezza, la resistenza e la resistenza all'usura del metallo.
1. Austenitizzazione
Condizione di temperatura
L'acciaio viene riscaldato a una temperatura superiore al punto critico, sia per l'acciaio ipoeutettoidico che per quello ipereutettoidico. All'interno di questo intervallo di temperatura, la struttura cristallina cambia; la ferrite e la cementite presenti a temperatura ambiente si trasformano gradualmente in austenite. L'austenite è una soluzione solida interstiziale di carbonio in gamma-Fe con una struttura cubica a facce centrate, caratterizzata da elevata solubilità del carbonio, bassa resistenza ed elevata plasticità.
Conservazione del calore
Lo scopo del mantenimento della temperatura è quello di omogeneizzare la temperatura interna del pezzo, assicurando che l'intero componente sia completamente austenitizzato per prepararlo al successivo raffreddamento rapido e alla trasformazione strutturale.
2. Raffreddamento e trasformazione microstrutturale
Velocità di raffreddamento
Il raffreddamento avviene a una velocità nettamente superiore alla velocità critica di raffreddamento. La velocità critica di raffreddamento è definita come la velocità minima di raffreddamento necessaria affinché l'acciaio acquisisca una struttura martensitica durante la tempra. Se la velocità di raffreddamento è inferiore a questa velocità critica, l'acciaio può formare perlite o bainite durante il processo di raffreddamento, non riuscendo a raggiungere la durezza e la resistenza desiderate.
Processo di trasformazione
Durante il raffreddamento rapido, la struttura dell'austenite diventa instabile e subisce un cambiamento di fase. L'austenite surraffreddata si trasforma in fasi indurite come la martensite o la bainite. La martensite è una soluzione solida sovrasatura di carbonio in alfa-Fe con una struttura tetragonale a corpo centrato, caratterizzata da durezza e resistenza molto elevate.
Miglioramento delle prestazioni
Le strutture martensitiche o bainitiche ottenute tramite tempra aumentano significativamente la durezza, la resistenza e la resistenza all'usura del pezzo metallico. Ad esempio, parti in acciaio temprato hanno una durezza superficiale notevolmente aumentata, consentendo una resistenza superiore all'usura e alla deformazione.
Mezzi di tempra
Come illustrato dalle curve Tempo-Temperatura-Trasformazione (TTT), diverse velocità di tempra producono risultati diversi. Metalli diversi possono resistere a diverse velocità di tempra senza criccarsi. Sebbene metalli diversi richiedano approcci specifici, la tempra è prevalentemente una funzione della velocità di raffreddamento.
In genere, il metodo principale per controllare la velocità di raffreddamento è la selezione del mezzo di tempra. Sebbene la temperatura del mezzo possa teoricamente essere modificata, il suo calore specifico e il suo punto di ebollizione sono i fattori decisivi nel determinare la velocità di raffreddamento. I mezzi di tempra più comuni includono acqua, salamoia (acqua salata), olio, azoto liquido e aria, ognuno con vantaggi e svantaggi distinti.
Acqua
L'acqua è uno dei mezzi più comuni grazie alla sua disponibilità e capacità di indurre un rapido quenching. Non è infiammabile e possiede un elevato calore specifico e un elevato calore latente di vaporizzazione. Tuttavia, l'ebollizione crea bolle che riducono la conduttività termica (effetto Leidenfrost), rallentando di conseguenza la velocità di quenching.
Salamoia
La salamoia è semplicemente acqua con aggiunta di sale. Il sale aumenta il punto di ebollizione dell'acqua, riducendo la formazione di bolle durante l'ebollizione e accelerando la velocità di spegnimento. Uno svantaggio è che il sale può corrodere o reagire chimicamente con alcune leghe.
Per quanto riguarda le leggende sulla tempra delle spade nel sangue: poiché il sangue contiene elettroliti disciolti (sali), funziona in modo simile a una salamoia debole dal punto di vista della tempra. Il sangue contiene anche composti organici che possono coagularsi e aderire alla lama, riducendo potenzialmente l'effetto Leidenfrost. Le molecole di carbonio nel sangue possono anche reagire formando carburi minori sulla superficie.
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Olio
L'olio è un efficace metodo di tempra a media velocità che aiuta a mitigare la formazione di cricche. Uno svantaggio significativo è il rischio di incendio rappresentato dalla superficie dell'olio, che richiede estrema cautela durante il processo.
Nitrogeno liquido
L'azoto liquido è inizialmente più lento della tempra in acqua perché si gasifica istantaneamente (creando uno strato a bassa conduttività termica) e ha una capacità termica e un calore di vaporizzazione inferiori. Tuttavia, l'azoto liquido porta il materiale a una temperatura finale molto più bassa, essenziale per alcune leghe (come alcuni acciai inossidabili) per la precipitazione della martensite.
Aria
La tempra in aria si ottiene in genere soffiando rapidamente aria fredda sul campione. È comune in ambito industriale grazie al basso costo e alla possibilità di controllare la velocità di raffreddamento su diverse sezioni di un prodotto regolando la velocità dell'aria. Sebbene sia generalmente il mezzo più lento, alcune leghe possono ottenere una microstruttura temprata anche se raffreddate in aria ferma.
Fasi di tempra
La lega viene riscaldata a una temperatura compresa tra 30 e 50 °C superiore alla sua temperatura critica. L'esposizione prolungata a questa temperatura deve essere evitata per prevenire la crescita dei grani.
Per le leghe sensibili all'ossidazione, il riscaldamento deve essere effettuato sotto vuoto. In alternativa, la lega può essere incapsulata in un tubo di quarzo precedentemente evacuato o riempito con un gas inerte come l'argon.
La lega richiede un raffreddamento rapido, controllato principalmente dal mezzo di tempra. La salamoia è in genere il mezzo più rapido, mentre l'azoto liquido è relativamente lento in termini di velocità di raffreddamento.
Se la lega si raffredda troppo rapidamente, potrebbe fessurarsi; se si raffredda troppo lentamente, le fasi metastabili potrebbero non formarsi. La velocità di tempra ottimale dovrebbe essere determinata utilizzando un diagramma Tempo-Temperatura-Trasformazione (TTT).
