I trattamenti termici dei metalli: bainite e leghe ferro-carbonio

I trattamenti termici

Definizione

· Trattamento termico: 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 su una lega metallica è necessario conoscere il diagramma di stato della lega stessa.
· Tale conoscenza non è tuttavia sufficiente perché i diagrammi di stato definiscono le strutture di equilibrio di un metallo o una lega ad una determinata temperatura.
· Per questo motivo importante è anche la velocità di raffreddamento o di riscaldamento della trasformazione perché influisce sulle temperature di transizione e sulla natura stessa della struttura ottenuta.

Trattamento termico: fasi e fluidi di raffreddamento

· Trattamento termico: sempre composto di almeno 3 fasi:
1) Riscaldamento fino a una determinata temperatura t1
2) Permanenza a t1 per un determinato periodo di tempo p1
3) Raffreddamento in un fluido con specifiche caratteristiche di scambio termico e reattività chimica

Fluidi di Raffreddamento
1) Aria
· Aria riscaldata (forno)
· Aria ambiente
2) Bagno di Sali fusi
3) Olio
4) Acqua

Parametri che influenzano il trattamento termico

I Parametri che influenzano il trattamento termico e i suoi effetti sono 3:
a) Geometria del pezzo

I Parametri che influenzano il trattamento termico e i suoi effetti sono 3:
a) Geometria del pezzo
b) Composizione chimica della lega

I Parametri che influenzano il trattamento termico e i suoi effetti sono 3:
a) Geometria del pezzo
b) Composizione chimica della lega
c) Stato della lega (microstruttura, cristallo, grani, difetti ... )

Obiettivi ed effetti collaterali del trattamento termico

Obiettivi :
Miglioramento desiderato delle proprietà come conseguenza dei cambiamenti della struttura microcristallina
Effetti collaterali:
· Distorsioni (cambiamenti geometrici)
· Cambiamenti superficiali (es. Ossidazioni e decarburizzazioni)
· Tensionamento della struttura cristallina

Cricche di Tempra

1) Acciaio austenitico
2) Temprato e la superficie attraversa MS
3) Il centro si espande trasformandosi in Martensite
4) Il cuore del pezzo si è trasformato in martensite generando le cricche

Diagramma di stato

Formazione di composti stabili

Iron/Carbon Alloy Phase Diagram

Diagramma Ferro-Carbonio (Semplificato)

Austenite
Austenite + Ferrite
Ferrite + Pearlite
Pearlite + Cementite
Austenite + Cementite

Punti critici acciaio ipo-eutettoidico

A1:temperatura dell'equilibrio austenite => perlite
A : temperatura d'equilibrio austenite >> ferrite
Principali punti critici sono:
AC1 = temperatura a cui comincia a formarsi Austenite, riscaldando;
AC3 = temperatura a cui termina la formazione di Austenite, riscaldando;

Punti critici acciaio iper-eutettoidico

Acm: temperatura d'equilibrio austenite cementite
Per gli acciai ipereutettoidici, al di sopra della quale è stabile solo l'austenite

Principali punti critici sono:
ACm = temperatura a cui comincia a formarsi Cementite, raffreddando l'Austenite (al di sopra c'è solo Austenite)

Trattamenti termici principali

Processo e scopo

Tipi di trattamenti termici
Ricottura
Normalizzazione
Carbocementazione
Tempra
Rinvenimento
Bonifica

Ricottura («Annealing»)

Processo utile ad annullare su acciaio, alluminio e rame gli effetti di qualsiasi trattamento effettuato in precedenza come:
· tensioni residue
· Incrudimento
· alterazioni della microstruttura
Effetti:
· Formazione di struttura perlitica a grana grossa (acciaio)
· Alta plasticità, lavorabilità a freddo e tenacità
· Riduzione di durezza e tensioni di snervamento e rottura
· Svantaggio lunga durata del trattamento e consumo di energia
Processo
· Riscaldamento fino a Ac + 50 - 70 ℃
· Sosta in tale condizione per 1 ora ogni 30 - 50 mm di spessore.
· Raffreddamento lento in forno (5 - 50℃/h) fino alla formazione stabile di ferrite, perlite o carburi: per acciai al carbonio o debolmente legati vuol dire fino a 600 ℃, per acciai molto legati anche 300 ℃; in seguito si può raffreddare il pezzo più rapidamente in aria.

Ricottura: grafico temporale

Ricottura

Grafico lineare - logaritmico

sec min hours days

Normalizzazione («Normalizing»)

Utile per annullare qualsiasi trattamento termico o meccanico (ad esempio tempra e incrudimento). Tale processo è simile alla ricottura ma con alcune differenze.
Normalizzazione (vs Ricottura)
· Formazione di Perlite a grana cristallina fine (vs grossa)
· il raffreddamento è più rapido e consuma meno energia
· Moderato aumento di resistenza meccanica e riduzione di tenacità
· Utile preparazione a successiva tempra e carbo-cementazione.
Processo
· Riscaldamento a T superiore a quella di austenizzazione (Ac3 + 50-70 ℃)
· permanenza per 15 minuti circa a questa temperatura
· raffreddamento in aria calma.

Normalizzazione: grafico temporale

Ricottura
Normalizzazione

Tempra («Quenching»)

La tempra consiste nel brusco raffreddamento di un materiale dopo averlo portato a temperatura di austenizzazione (Ac3).
Questo processo è molto comune per i metalli, ma è utilizzato anche per il vetro.
Effetti
· Formazione di Martensite, forma cristallina metastabile dell'acciaio
· Elevata durezza e resistenza allo snervamento
· Elevata fragilità
· L'acciaio con concentrazione di carbonio superiore allo 0,3-0,5% presenta un alto livello di rischio di cricche.
Negli acciai legati con Nichel e Manganese, la temperatura eutettoide (Ac3) diventa molto più bassa permettendo di iniziare la tempra a una temperatura più bassa rendendo il processo più semplice.
Aggiungendo Tungsteno l'intervallo di tempo in cui è possibile temprare la lega aumenta. In alcuni acciai autotempranti è addirittura possibile temprare semplicemente esponendo il pezzo all'aria aperta.
Processo:
· Riscaldamento a 50 ℃ + Ac3 (sopra la temperatura di austenizzazione
· Si permane per 6 minuti
· Si raffredda rapidamente immergendo il pezzo in un fluido di raffreddamento (olio, acqua o aria).

Tempra: grafico temporale

Ricottura
Normalizzazione
Tempra

Rinvenimento («Tempering»)

È un trattamento termico cui possono venire sottoposti acciai e leghe leggere che :
·aumenta tenacità, allungamento, resilienza e lavorabilità alle macchine utensili
·diminuisce durezza, resistenza alla trazione ed il limite di snervamento;
Di solito il trattamento di rinvenimento viene effettuato subito dopo la tempra, in quanto la Martensite non rinvenuta è troppo fragile; se non si attende il completo raffreddamento dell'acciaio dopo la tempra ne previene le cricche.
Il trattamento di tempra più rinvenimento prende il nome di "bonifica".
· Il rinvenimento può avvenire a 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 diminuzione della durezza e la resistenza allo snervamento).
· La resistenza allo snervamento diminuisce anche all'aumentare del periodo di rinvenimento, ma solo fino a un valore limite oltre il quale non scende più.
Processo:
·riscaldamento a T<Ac1 (80-700℃)
Stazionamento per un periodo sufficiente (ore)
Raffreddamento a velocità controllata in aria o forno

Rinvenimento: grafico temporale

Rinvenimento
Ricottura
Normalizzazione
Tempra

Confronto trattamenti termici

3 Rinvenimento
4 Ricottura
2 Normalizzazione
1 Tempra

Bonifica (tempra + rinvenimento)

· Viene eseguita su acciai da bonifica a medio contenuto di carbonio (0,3% - 0,6% C) per eliminare le caratteristiche negative della Tempra, vale a dire l'eccessiva fragilità e la presenza di austenite residua. L'austenite residua non è stabile e tende a decomporsi causando una dannosa variazione di volume quando il pezzo è in esercizio.
· Più alto è il valore di carbonio più efficace risulta la bonifica.
· Elementi leganti nichel, cromo, molibdeno e vanadio.
· Processo
· Prima avviene la tempra
· Poi rinvenimento con T = 600 - 650 °C.(Acciai da costruzione)
· Poi rinvenimento con T = 450 °C.(Acciai per molle)

Bonifica: grafico temporale

Time
Time

Confronto dei materiali

Hardness
Toughness
Critical!
Annealed alloy
Quenched alloy
Tempered alloy

Carbo-cementazione («Carburizing»)

La carburazione o carbo-cementazione è un trattamento termico in cui la superficie di ferro o acciaio assorbe carbonio mentre il metallo viene riscaldato in presenza di un materiale contenente carbonio, come il monossido di carbonio.
Quando il ferro o l'acciaio si raffreddano rapidamente mediante tempra, la superficie esterna a più alto contenuto di carbonio diventa duro a causa della trasformazione da austenite a martensite, mentre il nucleo rimane morbido e tenace con una microstruttura ferritica e / o perlitica.
Effetti:
· Aumento della durezza superficiale
· Maggiore resistenza all'usura
· Aumento resistenza a fatica / trazione
· Aumento del contenuto di carbonio superficiale
· Profondità di cementazione fino a 6,4 mm
· Può verificarsi una crescita del grano
· Potrebbero verificarsi cambiamenti di volume
· Il nucleo del pezzo mantiene in gran parte la sua tenacità e duttilità;