PRODOTTI PER TRATTAMENTI TERMICI A METALLI

Prodotti per TRATTAMENTI TERMICIPer trattamento termico si 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
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, difatti
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 (quali ad esempio la martensite negli acciai) assenti nel diagramma
di stato.

I PRINCIPALI TRATTAMENTI TERMICI

Ricottura

La ricottura di una lega metallica è un trattamento
termico che consiste nel riscaldamento ad una
temperatura solitamente inferiore a quella di fusione,
seguito dalla permanenza di durata opportuna e da un lento raffreddamento solitamente in
forno.[1] Deve conseguire uno o più dei seguenti
obiettivi:
equilibrio chimico: riduzione della segregazione minore;
equilibrio strutturale: trasformazione delle fasi metastabili;
equilibrio meccanico: riduzione delle tensioni residue interne, incrudimento compreso.

Si utilizza prevalentemente su acciai e su rame per
prepararli alle fasi successive della lavorazione,
rendendo il materiale più dolce e più omogeneo.
Nel caso dell’acciaio, si riscalda sino ad una temperatura
poco superiore a quella di austenitizzazione
e si mantiene a tale temperatura per un
tempo sufficiente a trasformarlo completamente
in austenite; segue poi un lento raffreddamento
in forno.
Tramite la ricottura viene alterata la microstruttura
del materiale, causando mutamenti nelle sue proprietà
quali la flessibilità e la durezza. Il risultato
tipico è la rimozione dei difetti della struttura cristallina.
Può avere anche lo scopo di uniformare
la composizione chimica dell’acciaio, in tal caso
il riscaldamento è eseguito ad una temperatura
più elevata e per tempi più lunghi.
I processi che portano alle modifiche del reticolo
cristallino durante la ricottura hanno ispirato in
informatica la tecnica della ricottura simulata (o
simulated annealing), che è una metaeuristica simile
agli algoritmi genetici.

Normalizzazione

In metallurgia la normalizzazione è un trattamento
termico che consiste nel riscaldamento del
materiale ad una temperatura poco superiore a
quella di austenizzazione (Ac3 + 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 (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: la perlite
che si ottiene con la normalizzazione è però
costituita da cristalli più minuti (a causa del raffreddamento
più veloce). Ne consegue il miglioramento
della resistenza e lo spostamento della
transizione duttile – fragile.
Di solito tale processo è eseguito come ultima
operazione; può costituire il rimedio a un surriscaldamento
della grana.
Dovrebbe sempre essere effettuata su getti d’acciaio
al carbonio e basso legati e su quelli già
sottoposti a ricottura d’omogeneizzazione, per
affinare la struttura grossolana.
È utile per annullare qualsiasi trattamento termico
o meccanico (ad esempio tempra e incrudimento).
L’affinazione della grana che ne consegue è
un’utile preparazione a successiva tempra e carbocementazione.
Per acciai da usare a basse temperature conviene
la doppia normalizzazione: una prima a più
alta temperatura per meglio omogeneizzare, una
seconda a più bassa temperatura per affinare la
grana. Viene eseguito di preferenza sugli acciai ipoeutectoidici.

Rinvenimento

È un trattamento termico consistente in un riscaldamento
seguito da raffreddamento a velocità
controllata, cui possono venire sottoposti
acciai e leghe leggere per ridurre la fragilità indotta
dalla tempra, a scapito però di parte della
durezza. Il rinvenimento è suddiviso in diversi
stadi a seconda della temperatura alla quale
è portato l’acciaio, e all’aumentare di questa si
ottiene una struttura con proprietà meccaniche
sempre migliori (a parte la citata diminuzione
della durezza). Di solito il trattamento di rinvenimento
viene effettuato subito dopo la tempra.
Il trattamento di tempra più rinvenimento
al 4º stadio prende il nome di “bonifica”.
Si applica a materiali martensitici e porta alla formazione
di bainite. Si passa da una struttura bct
ad una ferrite cubica e cementite.

Distensione

È un riscaldamento a 150-180 °C che provoca
una leggera riduzione delle tensioni interne, senza
diminuire troppo la durezza. In pratica è un
particolare tipo di rinvenimento

Bonifica

Con il termine bonifica si intende un insieme di
trattamenti termici che si effettuano a particolari
tipi di acciai e che consiste in una tempra seguita
da un rinvenimento.[1]
Nel corso della tempra degli acciai si ha formazione
di martensite, una struttura ad elevata durezza
e notevole carico di rottura, ma con una
resilienza piuttosto bassa che può dar luogo a rotture
in seguito a urti. Data la pericolosità di questi
fenomeni, che comportano un collasso praticamente
istantaneo della struttura, si sottopone l’acciaio
ad un trattamento termico di rinvenimento,
per trasformare parte della martensite in martensite
rinvenuta.

Infatti la martensite è una fase metastabile,
cioè si forma solo perché gli atomi di
carbonio non riescono a fuoriuscire dal reticolo a
causa dell’elevata velocità di raffreddamento che
impedisce i moti diffusivi.
Dato che la martensite, in assenza di elementi
leganti, si forma solo con una percentuale di carbonio
superiore allo 0,2%, sotto questo limite gli
acciai praticamente non possono essere temprati,
quindi non ha senso effettuare un trattamento di
bonifica che è tanto più utile quanto più alta è la
percentuale di carbonio. In genere gli acciai destinati
a questo trattamento hanno lo 0,4-0,6% di
C e sono appunto detti acciai da bonifica.
Viene definita bonifica questa sequenza di trattamenti
solo nel caso in cui il rinvenimento avvenga
ad una temperatura maggiore di 550 °C (salvo
nel caso degli acciai per molle che vengono rinvenuti
a circa 450 °C). Portando la martensite a
questa temperatura essa rinviene, trasformandosi
in sorbite, una struttura che combina una buona
resistenza a trazione, anche se inferiore a quella
della martensite, ad una maggiore tenacità.

Tempra

Il trattamento di tempra o tempera[1] in generale
consiste nel brusco raffreddamento di un materiale
dopo averlo portato a temperatura di austenizzazione.
L’elevata velocità di raffreddamento inibisce
l’azione diffusiva atta al ripristino dell’equilibrio
e il numero di vacanze (e quindi di cluster, cioè
raggruppamenti di difetti puntuali) che compete
alla temperatura di tempra è conservato a temperatura
ambiente. Più in generale si può dire che
la tempra, inibendo i processi diffusivi necessari
alla stabilizzazione termodinamica, trasferisce a
temperatura ambiente uno stato termodinamicamente
competente a temperatura maggiore.
Un monocristallo così trattato ha resistenza meccanica
maggiore rispetto al monocristallo raffreddato
lentamente.
Grazie alla tempra, per esempio, si trasforma la
struttura perlitica dell’acciaio in martensitica: si
porta la lega da temprare a una temperatura di
circa 50 °C sopra quella di austenizzazione e lo
si raffredda molto rapidamente fino a temperatura
ambiente (non necessariamente essa viene
raggiunta); non avendo così il tempo per diffondere,
il carbonio rimane intrappolato all’interno
della cella gamma, che si trasforma in cella alfa
a temperatura ambiente; ciò porta ad avere una
struttura tetraedrica, che è appunto la martensite.
Anticamente la tempra veniva effettuata, oltre che
in acqua o olio, in orine varie, che erano in grado
di fornire una certa quantità di nitrati e nitriti per
avere anche una diffusione di atomi di azoto (parziale
nitrurazione).

Note sugli acciai legati

L’acciaio con concentrazione di carbonio superiore
allo 0,3-0,5% presenta un alto livello di rischio
di criccature. La presenza di elementi leganti
rallenta la dissoluzione dei carburi durante
l’austenitizzazione. L’uso di acciai legati in organi
sollecitati a fatica o a flessione può essere
pericoloso per il rischio di criccature ed è quindi
sconsigliato se non indispensabile.

Tempra di soluzione o solubilizzazione

Si consideri una lega formata dal soluto B disciolto
nella matrice A. Se la si riscalda fino a
completa dissoluzione di B e poi la si raffredda
bruscamente, di solito in acqua o olio, fino a temperatura
ambiente, si paralizzano gli atomi di B
in condizioni metastabili, ottenendo una lega più
tenera e plastica.
È applicata agli acciai inossidabili austenitici
(ad esempio: AISI 304 o X5CrNi1810, AISI 316
o X5CrNiMo1712) per migliorare la resistenza
alla corrosione: un raffreddamento lento,
infatti, provocherebbe la separazione dei carburi
di cromo ai giunti dei grani, con conseguente
impoverimento sotto al 12%(limite per
la passivazione) e corrosione intercristallina.
Nell’acciaio austenitico il manganese migliora la
tenacità. La tempra di soluzione si fa anche su
leghe di alluminio da trattamento termico, prima
di avviare il processo d’invecchiamento. Su una
lega di alluminio, procedere con un trattamento
di invecchiamento, sia naturale che artificiale,
migliora notevolmente le caratteristiche meccaniche,
perché si vanno a formare finissimi precipitati
che bloccano il movimento delle dislocazioni.
Le leghe d’alluminio sottoposte a invecchiamento
vengono riconosciute dalla sigla T6 (invecchiamento
artificiale) o T4 (invecchiamento naturale).
Per esempio AA-2xxx-T6 (lega d’alluminio della
serie 2000 Alluminio+rame da trattamento termico,
invecchiata artificialmente)

Tempra di durezza

È un trattamento termico che sopprime la trasformazione
eutettoidica e conduce alla formazione
di martensite per raffreddamento continuo. Considerando
il grafico delle curve CCT, la curva della
velocità di raffreddamento in ogni punto del
pezzo non deve incrociare le curve CCT, così che
si arrivi alla sola formazione di martensite.
Si deve quindi tenere presente che la curva di raffreddamento
dipende da
bagno di tempra
caratteristiche termiche dell’acciaio
caratteristiche geometriche del pezzo trattato
mentre le curve CCT dipendono da

composizione dell’acciaio (ad esempio il
carbonio le sposta a destra)

dimensioni del grano
inclusioni non metalliche, carburi, azoturi o
segregazioni.

La “profondità di tempra” è rilevabile mediante
due metodi, basati sul principio che la durezza
dipende unicamente dalla quantità di martensite
e dal tenore di carbonio.
– “Diametro ideale”. Si misura il diametro critico
(diametro della barra che dopo tempra ha 50%
di martensite al centro), ricavandolo dal diametro
ideale di una barra temprata in un bagno ideale di
tempra, con indice di drasticità H infinito, grazie
al diagramma proposto da Grossmann.
– “Curva di Jominy”. Un provino cilindrico viene
temprato e raffreddato secondo un metodo standard,
segue quindi la misurazione della durezza
Rockwell C lungo il suo asse e la costruzione
di un grafico durezza – distanza dall’estremo;
quest’ultimo consente di valutare e confrontare
la temprabilità di diversi acciai (ad esempio il
40CrMo4 è più temprabile del C40); la penetrazione
di tempra è ricavabile nel momento in cui
si conosce la durezza corrispondente al 50% di
martensite.
È possibile ricavare i risultati del primo metodo
da quelli del secondo, grazie a correlazioni standard
codificate in normative ISO.

Ambiente di riscaldamento
Bisogna evitare l’ossidazione e la decarburazione
del pezzo temprato. Si può quindi proteggerlo
con: olio balsamico
sostanze solide (trucioli di ghisa grigia,
carbone), adatte in forni elettrici, per acciai al
carbonio, basso-legati fino a 0,6% di C, ad alto
cromo (ad esempio X210Cr13) e temperatura di
tempra inferiore a 1050 °C;
sostanze liquide (sali fusi) per pezzi
pregiati, ad esempio utensili da taglio o parti
di macchine, in cui si richieda uniformità e
precisione del riscaldamento;
sostanza gassose (CO, CO2, H2, N2, gas inerti)
per trattamenti economici su larga scala; un
caso particolare è il vuoto.

Velocità di riscaldamento

È necessaria gradualità per evitare criccature e
tensioni termiche.

Temperatura di tempra

Bisogna porre attenzione ad alzare eccessivamente
la temperatura (per aumentare la velocità
di austenitizzazione) in quanto si rischiano surriscaldamento
della grana cristallina, bruciatura
dei bordi dei grani per l’infiltrazione di ossigeno,
ossidazione, decarburazione, eccessiva fragilità
della martensite ottenibile, austenite residua. Ciò
premesso, la temperatura è di 30 °C, 50 °C, 70 °C
maggiore di Ac3 a seconda che il mezzo di raffreddamento
sia acqua, olio, aria, o bagni di sali.

Permanenza in temperatura

Il tempo di permanenza dipende dal grado desiderato
di dissoluzione dei carburi:
– acciai da costruzione, al carbonio e bassolegati:
pochi minuti
– acciai da costruzione medio legati: almeno
15 minuti
– acciai per utensili al carbonio e bassolegati:
0,5 minuti per mm di spessore, con un
massimo di un’ora
– acciai alto-legati al cromo: 0,8 minuti al mm,
con un massimo di un’ora
– acciai per lavorazioni a caldo: mezz’ora al
massimo, data la scarsa quantità di carburi
– acciai rapidi: essi sono riscaldati alla più
alta temperatura, quindi occorre limitare la
permanenza al minimo (tempo dipendente
dallo spessore)

Mezzo di tempra
Il fluido ottimale deve assicurare:

– elevata velocità di raffreddamento
nell’intervallo A1 – Ms per evitare la
formazione di perlite o bainite;
– modesta velocità nell’intervallo Ms – Mf
(comunque non troppo bassa per non creare
eccessiva austenite residua); questa proprietà
è proporzionale alla differenza tra la
temperatura del fluido e il suo punto di
ebollizione;
– il fluido non deve decomporsi al contatto con
il metallo rovente.
I mezzi più usati sono acqua, olio, sali fusi e aria
e sono classificati in base all’indice di drasticità
H.

Si distinguono 3 stadi di raffreddamento per liquidi
soggetti a ebollizione:
1 – al primo contatto del mezzo col pezzo si
forma una pellicola di vapore (calefazione),
con raffreddamento relativamente lento;
2 – nel momento in cui essa si rompe, nuovo
liquido tocca il pezzo, assorbe il calore
latente di evaporazione e si raggiunge così la
massima asportazione di energia;
3 – con il passaggio sotto alla temperatura di
ebollizione, si ha un calo nell’asportazione di
calore.
L’acqua è il mezzo di spegnimento più diffuso,
soprattutto per acciai al carbonio e alcuni bassolegati,
ma non è il fluido ideale. La sua azione
può essere migliorata con l’aggiunta di sostanze
che ne innalzino il punto di ebollizione, per
esempio con NaCl o NaOH.
L’olio minerale è adatto ad acciai basso e medio
legati, cioè suscettibili di formare austenite stabile
e quindi trasformabile con bassa velocità critica
di tempra. Si avvicina maggiormente al fluido
ideale, riducendo le tensioni interne e i difetti di
tempra.
L’aria è consigliata per acciai alto legati e quelli
basso e medio legati in pezzi complessi
I sali fusi, adatti a pezzi non troppo grossi e di
acciaio ben temprabile, eccellono soprattutto nei
trattamenti isotermici sostitutivi della tempra.

Tempra ad induzione

Un corpo buon conduttore di elettricità, posto entro
un campo magnetico alternato, si riscalda per
effetto Joule grazie alle correnti indotte: questo
fenomeno permette di portare ad alta temperatura,
e quindi austenitizzare, un oggetto di acciaio.
A causa dell’effetto pelle della corrente alternata
lo spessore dello strato riscaldato varia con la frequenza
della corrente (ma dipende anche dalla
conducibilità del materiale); industrialmente si
utilizzano generatori a bassa frequenza (inferiore
a 5 kHz), media frequenza (da 5 a 30 kHz) e alta
frequenza (200 kHz); lo strato di materiale interessato
dal riscaldamento è inversamente proporzionale
alla frequenza generata (bassa frequenza
corrisponde a strati più profondi).
Segue la fase di raffreddamento,che può avvenire
per immersione o spruzzamento; esempi di “tempra
localizzata” sono: lame per forbici o falciatrici, taglienti di pinze troncatrici, vomeri, denti di
ingranaggi e soprattutto pezzi ruotabili durante il
riscaldamento.
La “tempra progressiva” comporta invece lo scorrimento
del pezzo rispetto alla bobina e immediato raffreddamento della superficie in uscita. Il
metodo è usato per guide di bancali, lame per
seghetti, denti di ingranaggi di grandi dimensioni,
alberi di trasmissione, steli per attuatori pneumatici,
cuscinetti a rotolamento…
Ultima fase del processo è il rinvenimento ad induzione,
a 160-200 °C.
Per evitare criccature gli acciai sottoponibili a tale
trattamento sono gli acciai al carbonio o poco
legati (39NiCrMo3) con C = 0,30-0,50% (classificabili
negli acciai da bonifica) (eccezione: se
la tempra deve raggiungere il cuore del pezzo,
possono essere usati il 100Cr6 e il 100CrMn4, ad
esempio nei cuscinetti a rotolamento). La bonifica
serve ad ottenere una struttura di partenza con
carburi fini, che si disciolgano presto nell’austenite
durante il veloce riscaldamento, e un cuore
tenace; per motivi inversi si escludono gli acciai
ricotti (carburi grossolani e cuore scarsamente tenace).

Tempra bainitica (austempering)

Essa rientra nei trattamenti di tempra isotermica.
In breve, la sosta nel bagno termale, ad una
temperatura poco superiore a Ms (temperatura di
inizio trasformazione della martensite), porta alla
completa trasformazione dell’austenite in bainite
inferiore, ottenendo un materiale più tenace,
meno tensionato e senza necessità di rinvenimento.
Si può dire che la bainite inferiore che si ottiene
da questo processo è la struttura dalle migliori
caratteristiche meccaniche rispetto a tutte le altre
strutture ottenibili dai diversi trattamenti termici.
Ovviamente questo è anche un concetto relativo,
infatti dipende da cosa richiede il progetto. Comunque
se ci mettessimo nella logica di potere e
volere classificare le caratteristiche meccaniche
ottenibili dalle diverse strutture, la bainite inferiore
sarebbe sul primo gradino del podio. Tuttavia
il processo termico per ottenerla deve essere obbligatoriamente
isotermo e, data la complessità,
diventa costoso e quindi ancora poco diffuso. Si
va spesso sull’alternativa più vicina alla bainite
inferiore, ovvero la sorbite che si ottiene da un
rinvenimento (generalmente a T≈550 °C – 600 °C)
preceduto, ovviamente, da una tempra di durezza
(si ricordi che tempra + rinvenimento = bonifica).

PatentamentoProdotti per TRATTAMENTI TERMICI-2

È una variante dell’austempering, consistente nel
far passare con movimento continuo un filo di acciaio
armonico all’interno di un bagno termale
di piombo fuso a 500 °C. Si ottiene perlite fine,
adatta alla trafilatura.

Martempering

Il rinvenimento a bassa temperatura non elimina
sempre adeguatamente cricche e distorsioni.
Conviene ricorrere allora al martempering, cioè
alla pausa isoterma a temperatura leggermente superiore a Ms, in un bagno di sali, per il tempo
strettamente necessario a uniformare la temperatura
del pezzo ma non sufficiente alla formazione
di bainite. Segue il raffreddamento in aria e il rinvenimento.

Vantaggi: formazione contemporanea di martensite,
nessuna ossidazione o decarburazione se il raffreddamento
finale avviene in atmosfera protettiva,
maggiore tenacità a scapito di un po’ di durezza.

Svantaggi: maggiori costi di impianto, più austenite
residua

Da ricordare che il martempering è spesso utilizzato nei casi in cui sia necessario temprare pezzi
di grosse dimensioni (ad esempio ingranaggi di
motori marini, stampi per le materie plastiche)
che arrivano ad occupare volumi nell’ordine dei
metri cubi. Dato le dimensioni del pezzo, è immediato
immaginare come la differenza di temperatura fra superficie e cuore del pezzo possa assumere valori molto elevati qualora venga effettuato
un trattamento di tempra tradizionale (senza
la pausa isoterma del martempering). Gli stati
tensionali quindi assumerebbero valori molto
elevati e di conseguenza pericolosi per l’integrità
del pezzo.

Stato tensionale di un oggetto temprato
Le tensioni residue sono dannose in quanto possono
provocare la criccatura e variazioni geometriche.
Causa ne è sempre il gradiente termico.

Tensioni termiche

Sono determinate dalla contrazione non contemporanea
di strato interno e strato esterno di
un pezzo. Sono proporzionali alla drasticità del
raffreddamento, alla temperatura di tempra e allo
spessore, mentre sono inversamente proporzionali
alla resistenza del metallo; particolarmente
evidenti sono nei metalli privi di trasformazione
di fase solida, come acciai al carbonio extradolci,
inossidabili ferritici e austenitici.

Tensioni strutturali

La trasformazione dell’austenite in martensite,
bainite o perlite comporta l’aumento del volume;
dato che cuore e superficie non si trasformano
contemporaneamente, nascono delle tensioni di
trazione e compressione.
La situazione più favorevole vede la sollecitazione
a compressione del guscio esterno e a trazione
del cuore, attuando una sorta di “deformazione
sferica” che non solo non presenta motivi di pericolo,
ma anzi favorisce la resistenza a fatica e a
flessione (dato che si sommano algebricamente ai
carichi esterni).
Si considerino gli acciai legati: le loro curve CCT
sono molto spostate a destra rispetto alle curve
di raffreddamento e questo facilità la creazione
Prodotti per TRATTAMENTI TERMICI-3di tensioni elastiche residue non adeguatamente
distribuite. Pertanto il loro uso nel caso di organi
sollecitati a fatica o a flessione deve essere adeguatamente
valutato. Di solito migliore distribuzione
delle tensioni residue risulta negli acciai al
solo carbonio.
Si pone infine l’attenzione su ulteriori elementi da
valutare al fine del contenimento delle tensioni di
tempra: velocità di riscaldamento, percentuale di
carbonio superiore allo 0,3 – 0,5%, ambiente di
riscaldamento che possa provocare ossidazione o
decarburazione, temperatura di tempra eccessiva
che renda fragile la martensite prodotta, velocità
di raffreddamento, austenite residua, bagno di
tempra che non assicuri uniformità di temperatura
(per gli acciai alto legati si consiglia l’aria
calma).

Alcuni esempi di ricambi di nostra produzione per forni elettrici industriali da trattamento termico

Alcuni esempi di attrezzature di nostra produzione per forni industriali da trattamento termico