Trattamenti termici dell’acciaio
Tecniche di alterazione e miglioramento delle caratteristiche meccaniche dei prodotti industriali
In molte applicazioni industriali, gli organi meccanici contengono o trasferiscono una coppia, una forza che si trasmette per contatto tra superfici. Tali prodotti possono assumere caratteristiche meccaniche diverse, anche incompatibili tra loro, durante le fasi di lavorazione a cui vengono sottoposti. Prendiamo, ad esempio, la presa di forza o di potenza di un trattore agricolo.
La presa di potenza (pdp), è un organo particolarmente sollecitato, perché trasmette una coppia molto elevata verso la macchina operatrice.
La pdp è un componente della trasmissione che si ottiene per asportazione di truciolo dal pieno, isotropo, con caratteristiche meccaniche iniziali adatte alla lavorazione con tornio e fresa (acciaio dolce o tenero).
Nelle fasi di lavorazioni successive, si devono cambiare le caratteristiche per renderlo idoneo all’impiego finale, aumentando la durezza superficiale. Se questo non avviene, l’organo si danneggia o si usura molto rapidamente, perdendo la propria funzione e diventando un potenziale pericolo.
Trattamento termico, riscaldamento e raffreddamento controllati
Per trattamento termico s’intende:
il ciclo termico di riscaldamento effettuato in predeterminate condizioni e temperature, a cui devono seguire raffreddamenti, più o meno lenti
con lo scopo di fare assumere ad un metallo o ad una lega metallica (solitamente acciaio) quelle strutture cristalline che gli conferiscono determinate caratteristiche meccaniche e/o tecnologiche.
Per comprendere l’effetto dei trattamenti termici sulla struttura di una lega metallica, è necessario conoscere il diagramma di stato della lega stessa. Tale conoscenza non è tuttavia sufficiente, infatti i diagrammi di stato definiscono le strutture di equilibrio di un metallo o una lega ad una determinata temperatura. Le relative curve sono quindi ricavate applicando riscaldamenti e raffreddamenti molto lenti, tali da consentire il raggiungimento dell’equilibrio ad ogni temperatura.
Per questo motivo, un importante ruolo è svolto dalla velocità di raffreddamento o di riscaldamento della trasformazione. Tale velocità non solo influisce sulle temperature di transizione (che in genere saranno diverse da quelle ricavate dai diagrammi di stato), ma anche sulla natura stessa della struttura ottenuta, con la possibilità di ottenere costituenti metastabili, come la martensite negli acciai, assenti nel diagramma di stato.
Per determinare le modalità di un trattamento termico sono indispensabili:
- Conoscenza dei punti critici di temperatura: A3, A1 (variano secondo il tenore di carbonio)
- Curve di trasformazione dell’austenite: in condizioni isoterme (TTT) e anisoterme (CCT)
- Conoscenza delle temperature di inizio e di fine della trasformazione martensitica
Lettura sintetica del diagramma:
- Alte temperature e tempi lunghi: perlite a grani grossi e lamelle spesse
- Temperature medie (500°C) e tempi lunghi: perlite a grani fini e lamelle sottili
- Basse temperature e tempi lunghi: bainite
- Basse temperature e tempi rapidi: martensite
Ricottura
Si utilizza prevalentemente su acciai e su rame per prepararli alle fasi successive della lavorazione, tipicamente per asportazione di truciolo, rendendo il materiale più dolce e più omogeneo.
Tramite la ricottura viene alterata la microstruttura del materiale, causando mutamenti nelle sue proprietà quali la flessibilità e riduzione della durezza. Il risultato tipico è la rimozione dei difetti della struttura cristallina. In genere serve a restituire un equilibrio reticolare: riduzione delle tensioni residue interne, incrudimento compreso.
Nel caso dell’acciaio, si riscalda sino ad una temperatura poco superiore a quella di austenizzazione (A1 o A3 + 50,70 °C) e si mantiene a tale temperatura per un tempo sufficiente a trasformarlo completamente in austenite; segue poi un lento raffreddamento in forno:
perlite a lamelle grosse = + lavorabilità – resistenza meccanica.
La perlite è un costituente bifasico, l’aggregato cristallino è in generale lamellare.
Normalizzazione
la normalizzazione consiste nel riscaldamento del materiale ad una temperatura poco superiore a quella di austenizzazione (A1 o A3 + 50-70 °C), nella permanenza per 15 minuti circa a questa temperatura tale da raggiungere l’equilibrio microstrutturale e nel raffreddamento in aria calma.
Tale processo è simile alla ricottura, ma in questo caso il raffreddamento è più rapido. L’obiettivo principale è affinare la grana cristallina dell’acciaio, uniformare la microstruttura e attenuare l’estensione di bande stratificate di fasi differenti, una struttura che rischia di sottolineare il comportamento della fase più debole.
Generalmente, si ottengono strutture simili a quelle di un materiale che ha subito ricottura, ma la perlite che si ottiene con la normalizzazione è costituita da cristalli più minuti, a causa del raffreddamento più veloce:
perlite a lamelle fini = – lavorabilità + resistenza meccanica
L’affinazione della grana che ne consegue è un’utile preparazione a successiva tempra e carbocementazione. Viene eseguito di preferenza sugli acciai ipoeutettoidici.
Tempra
Si porta la lega da temprare a una temperatura di circa 50 °C sopra quella di austenizzazione e la si raffredda molto rapidamente fino a temperatura ambiente; non avendo così il tempo per diffondere, il carbonio rimane intrappolato all’interno della cella gamma CFC, che anziché trasformarsi in cella alfa CCC a temperatura ambiente. Si ottiene una struttura differente, tetragonale corpo centrato, che è appunto la martensite:
tempra = + durezza – resilienza
caratteristica alla quale sono associati altre importanti proprietà meccaniche, come l’aumento della resistenza a trazione e del limite di elasticità. La resilienza, invece, diminuisce ma assume un valore proporzionalmente elevato rispetto alle caratteristiche di partenza.
Rinvenimento e bonifica
Nel rinvenimento si riscalda a temperatura T < A1 sufficiente a trasformazione della martensite e dell’eventuale austenite residua per riscaldamento di un acciaio in sorbite.
La bonifica permette di ottenere strutture che combinano durezza e tenacità, quindi un’ottima resilienza:
tempra + rinvenimento = bonifica = caratteristiche meccaniche ottimali
Il rinvenimento è un trattamento termico di un metallo eseguito al fine di ridurre gli effetti negativi della tempra sul materiale, nel caso questo presenti eccessiva durezza e quindi fragilità, ad esempio un albero motore, assi, pignoni, bielle, ecc.
Trattamenti termici superficiali
La tempra superficiale è un trattamento che ha come obiettivo di ottenere un gradiente di proprietà creando una struttura martensitica in uno strato superficiale di qualche millimetro di spessore.
Si deve portare rapidamente questo strato alla temperatura di austenitizzazione (> A1 o A3) ed effettuare il raffreddamento dopo un tempo breve di austenitizzazione, in modo da evitare il trasferimento di calore per conduzione verso l’interno del pezzo.
Oltre a un’elevata durezza, tale trattamento comporta la formazione di sforzi residui di compressione che agiscono sullo strato superficiale e che aumentano la resistenza a fatica del pezzo. Il riscaldamento può essere effettuato mediante un generatore di tensione ad alta frequenza, mediante fiamma ossiacetilenica, oppure, più recentemente, per bombardamento elettronico, per fascio laser, mediante torcia al plasma.
Considerando che l’austenitizzazione e la tempra devono interessare solo uno spessore superficiale, è inutile ricorrere ad acciai ad elevata temprabilità. È utile effettuare successivamente un rinvenimento moderato a 150°C per eliminare eventuali stati di tensione.
Forno tempra a vuoto 
Prodotti da bonifica
Immagine in evidenza: Tempra termica in officina. Fonte: 123rf
Nel prossimo articolo dedicato alla metallurgia fisica, si parlerà delle Proprietà meccaniche dei metalli