La tempra è un processo di trattamento termico che garantisce le prestazioni di vari componenti in acciaio. Il processo di tempra viene applicato ai componenti dei motori automobilistici e alle parti strutturali di macchinari edili di grandi dimensioni. Ad esempio, gli ingranaggi di trasmissione automobilistici possono trasmettere potenza con precisione, garantendo il regolare funzionamento del cambio dopo la tempra e il rinvenimento. Questo articolo illustrerà i principi fondamentali della tempra.
Panoramica of tempra
La tempra è un processo di trattamento termico che prevede il riscaldamento di un pezzo indurito a una temperatura specifica inferiore al punto Ac1, il mantenimento a tale temperatura per un certo periodo e il successivo raffreddamento a temperatura ambiente. La tempra consente al pezzo di raggiungere le proprietà di esercizio richieste.
L'acciaio viene raramente utilizzato subito dopo la tempra, poiché la microstruttura risultante è costituita da martensite e austenite residua, accompagnata da significative tensioni interne. Sebbene la martensite abbia elevata resistenza e durezza, presenta scarsa plasticità ed elevata fragilità, rendendo il componente suscettibile a deformazione e criccabilità sotto sollecitazioni interne. Inoltre, la struttura temprata è instabile e può decomporsi lentamente a temperatura ambiente, causando variazioni di volume e distorsioni del pezzo. Pertanto, i componenti temprati devono essere rinvenuti prima di essere messi in servizio.
Funzione della tempra
Gli scopi della tempra sono:
Riduzione dello stress interno
I materiali metallici temprati presentano notevoli tensioni interne che possono portare alla deformazione o addirittura alla formazione di cricche. Il rinvenimento fornisce un mezzo efficace per rilasciare e bilanciare queste tensioni interne.
Ad esempio, negli stampi e nelle matrici di grandi dimensioni temprati, se le tensioni interne non vengono prontamente eliminate dopo la tempra, lo stampo può subire gravi deformazioni durante l'uso, compromettendo la precisione e la qualità del prodotto. Il rinvenimento garantisce una distribuzione più uniforme delle tensioni all'interno dello stampo, garantendone così la stabilità strutturale.
Regolazione della durezza
Sebbene i materiali metallici temprati presentino un'elevata durezza, sono spesso eccessivamente fragili, il che li rende inadatti a molte applicazioni pratiche. Il rinvenimento consente di regolare con precisione la durezza entro un intervallo appropriato in base ai requisiti applicativi.
Per i componenti meccanici sottoposti a carichi d'urto, come le teste dei martelli o le benne degli escavatori, il rinvenimento può ridurre moderatamente la durezza, migliorandone al contempo la tenacità. Questa maggiore tenacità consente al componente di resistere meglio alle forze d'urto durante il funzionamento, senza fratturarsi facilmente.
Stabilizzazione della microstruttura
La microstruttura dei materiali metallici temprati si trova in uno stato metastabile. Il rinvenimento consente alla microstruttura di trasformarsi in una forma più stabile.
Prendendo ad esempio l'acciaio, la struttura martensitica dopo tempra si decompone durante il rinvenimento per formare strutture più stabili come la martensite rinvenuta, la troostite rinvenuta o la sorbite rinvenuta. Queste strutture presentano eccellenti proprietà meccaniche complessive, garantendo la stabilità a lungo termine delle prestazioni del materiale durante un servizio prolungato. Ad esempio, nella produzione di alberi motore per motori automobilistici, la struttura stabile ottenuta tramite rinvenimento garantisce il funzionamento stabile e a lungo termine dell'albero motore in condizioni di alta temperatura, alta velocità e carico elevato, prevenendo il degrado delle prestazioni o i guasti dovuti all'instabilità microstrutturale.
Miglioramento della tenacità
La tenacità di un materiale metallico è una misura della sua resistenza alla frattura quando sottoposto a impatto o a grave deformazione plastica. Il rinvenimento aumenta significativamente la tenacità dei materiali metallici.
Per componenti a parete sottile o con geometrie complesse, una tenacità insufficiente dopo la tempra può facilmente causare guasti durante l'utilizzo. Il rinvenimento migliora la tenacità di questi componenti, consentendo loro di adattarsi meglio a diverse condizioni di lavoro complesse. Nei componenti critici del settore aerospaziale, ad esempio, è richiesta una tenacità estremamente elevata per garantire la sicurezza del volo, rendendo il processo di rinvenimento una fase indispensabile nella loro produzione.
Tipi di tempera
In base alla temperatura di rinvenimento, si possono distinguere 3 tipologie:
Rinvenimento a bassa temperatura (inferiore a 250°C)
Il rinvenimento a bassa temperatura produce una microstruttura di martensite rinvenuta. L'obiettivo è ridurre le tensioni di tempra e la fragilità. La martensite rinvenuta risultante presenta elevata durezza (tipicamente 58-64 HRC), elevata resistenza e un'eccellente resistenza all'usura. Pertanto, il rinvenimento a bassa temperatura è particolarmente adatto per componenti che richiedono elevata durezza e resistenza all'usura, come utensili da taglio, strumenti di misura, cuscinetti volventi, parti cementate e superfici temprate a induzione.
Rinvenimento a media temperatura (250°C – 500°C)
Il rinvenimento a media temperatura produce una microstruttura di troostite rinvenuta. Ciò conferisce all'acciaio un elevato limite elastico, una resistenza e una durezza relativamente elevate (tipicamente 35-50 HRC) e una buona plasticità e tenacità. Il rinvenimento a media temperatura viene utilizzato principalmente per vari componenti elastici e stampi per lavorazioni a caldo.
Rinvenimento ad alta temperatura (500°C – 650°C)
Il rinvenimento ad alta temperatura produce una microstruttura di sorbite rinvenuta. Il processo di trattamento termico combinato di tempra e rinvenimento ad alta temperatura è noto come "tempra e rinvenimento", o "condizionamento". Dopo il condizionamento, l'acciaio possiede eccellenti proprietà meccaniche complessive (tipicamente una durezza di 220-230 HBS). Il rinvenimento ad alta temperatura viene applicato principalmente a componenti critici delle macchine realizzati in acciaio strutturale a medio tenore di carbonio o basso legato, come alberi motore, bielle, bulloni, assali per autoveicoli, mandrini di macchine utensili e ingranaggi.
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Temper fragilità
Generalmente, quando l'acciaio temprato viene rinvenuto, la sua resistenza e durezza diminuiscono, mentre la sua plasticità e tenacità aumentano all'aumentare della temperatura di rinvenimento. Tuttavia, quando il rinvenimento viene eseguito entro determinati intervalli di temperatura, la resilienza dell'acciaio può diminuire significativamente. Questo fenomeno di infragilimento, in cui l'acciaio temprato viene rinvenuto entro specifici intervalli di temperatura o raffreddato lentamente attraverso tali intervalli a partire dalla temperatura di rinvenimento, è chiamato fragilità da rinvenimento. La fragilità da rinvenimento si divide in Tipo 1 e Tipo 2.
Fragilità di tempra di tipo 1
Questo tipo di fragilità da rinvenimento è irreversibile. La fragilità si verifica quando l'acciaio temprato viene rinvenuto a circa 300 °C ed è nota come fragilità da rinvenimento di tipo 1 o irreversibile. Quasi tutti gli acciai presentano questo tipo di fragilità. Essa è attribuita alla precipitazione di carburi discontinui, simili a sottili gusci, lungo i bordi delle lamelle o delle piastre di martensite durante il rinvenimento, il che riduce sostanzialmente la resistenza alla frattura dei bordi dei grani. Di conseguenza, i pezzi non vengono generalmente rinvenuti nell'intervallo di temperatura compreso tra 250 °C e 350 °C.
Fragilità di tempra di tipo 2
Questo tipo di fragilità è una fragilità da rinvenimento reversibile. La fragilità colpisce gli acciai legati contenenti elementi come Cr, Mn e Ni. Si verifica quando questi acciai vengono rinvenuti nell'intervallo di temperatura di fragilità compreso tra 400 °C e 550 °C, o quando vengono raffreddati lentamente attraverso questo intervallo dopo essere stati rinvenuti a una temperatura più elevata. Questo tipo di fragilità è chiamato fragilità da rinvenimento reversibile perché può essere eliminato rinvenendo al di sopra della temperatura di fragilità e raffreddando rapidamente. Se l'acciaio viene successivamente rinvenuto nell'intervallo di fragilità o raffreddato lentamente attraverso tale intervallo, la fragilità ricompare.
La causa è generalmente la segregazione di elementi di impurità come Sb, Sn e P ai bordi dei grani austenitici. Elementi di lega come Ni e Cr favoriscono questa segregazione di impurità e si depositano anche sui bordi dei grani stessi, aumentando così la suscettibilità alla fragilità da rinvenimento.
I metodi di prevenzione includono:
- Ridurre al minimo il contenuto di elementi di impurità nell'acciaio.
- Aggiungendo elementi come il molibdeno (Mo), che può inibire la segregazione dei bordi dei grani.
- Per i pezzi di piccole e medie dimensioni, questo tipo di fragilità da rinvenimento può essere eliminato mediante un rapido raffreddamento dopo il rinvenimento.
