I trattamenti di criogenia sono largamente utilizzati all'interno dei processi metallurgici, come lavorazioni supplementari, che possono migliorare la qualita'della trasformazione di austenite in martensite e ridurre le tensioni interne dei pezzi temprati.
Pratica comune e' quella di considerare -84 ° C (-120 ° F) la temperatura ottimale per il trattamento criogenico.
Tuttavia, vi sono prove, che il trattamento criogenico dell'acciaio effettuato a temperature dell'ordine di -190 ° C (-310 ° F), migliora considerevolmente alcune proprieta'del materiale, rispetto ad una criogenia blanda o ad un sotto-raffreddamento.
Durante questa discussione trattero'le pratiche utilizzate per i trattamenti criogenici e riportero' alcuni risultati sperimentali che mostrano come utilizzare i trattamenti suddetti, per migliorare le proprieta'dell'acciaio.
Il trattamento a freddo dell'acciaio.
Il trattamento a freddo dell'acciaio consiste nell'esporre il materiale ferroso a temperature sotto-zero, per conferirgli un evidente aumento della resistenza all'usura* e, a livello atomico, una maggiore stabilita'dimensionale e/o microstrutturale;senza contare la diminuzione delle tensioni residue.
In generale, 1h di trattamento a freddo per ogni pollice di sezione trasversale del pezzo, e' sufficiente per ottenere i risultati desiderati.
Mediante un corretto trattamento sotto-zero, e' possibile diminuire o annullare la percentuale di probabilita', che in un pezzo di acciaio temprato possano prodursi crepe, conseguenti ad un'eccessiva stabilizzazione e non adeguata eliminazione dell'austenite residua.
Trasformazione dell' Austenite in Martensite nella fase di Tempra.
Il trattamento di tempra comprende un riscaldo di austenitizzazione, seguito da un raffreddamento fino ad una temperatura inferiore ad Ms sufficientemente rapido da permettere la trasformazione in martensite, struttura di elevata durezza e fragilità. Per poter realizzare una tempra perfetta (o ideale o completa), cioé con una struttura martensitica al 100%, è necessario che la velocità di raffreddamento sia superiore a quella critica tipica per ogni acciaio. Riferendoci al diagramma di figura 1 sarà perciò necessario che la curva di raffreddamento del pezzo non intersechi la curva CCT di inizio trasformazione tanto nel campo perlitico che in quello bainitico (curva 3). Qualora non si verifichi questa condizione quando cioé la curva di raffreddamento interseca la curva di inizio trasformazione (curva 2) o nella zona perlitica o in quella bainitica od in ambedue, avremo una tempra incompleta: la quota di martensite si riduce per lasciar posto a strutture per lo più miste a perlite o bainite. Nella pratica industriale sono ammesse al centro dei pezzi anche tempre incomplete con tenori di martensite in determinate percentuali.
Gli acciai al “C” presentano una velocità critica di tempra molto elevata; questa velocità si riduce per la presenza di elementi leganti in modo più o meno marcato a seconda delle percentuali e della natura di essi. In relazione al tipo di acciaio ed alle dimensioni dei pezzi da temprare verrà scelto il mezzo di spegnimento più adatto: acqua, olio od aria.
Una trasformazione del 100% dell'austenite in martensite, e' difficile pero' da attuare senza un trattamento a freddo, che potrebbe migliorare,quindi, sensibilmente, le qualita' del pezzo forgiato, sopratutto in termini di durezza.
Il trattamento a freddo e il Rinvenimento.
Un immediato trattamento a freddo, senza ritardi,alle giuste temperature, durante la fase di tempra, offre la migliore opportunità per la trasformazione massima in percentuale dell'austenite in martensite.
In alcuni casi, tuttavia, vi e' il rischio che questo causera'la rottura del pezzo.
Pertanto,e' importante assicurarsi che il tipo di acciaio tollerera'un immediato trattamento a freddo piuttosto che una tempra immediata.
Alcuni acciai devono, per esempio, essere trasferiti in un forno da tempra quando sono ancora caldi al tatto, per ridurre al minimo il rischio di fessurazione.Progettare un pezzo con un design che comporta bruschi cambiamenti nella sezione, puo' creare, in certe zone, la concentrazione di stress, promuovendo rotture (cracking)**.
Nella maggior parte dei casi, il trattamento a freddo, non viene messo in atto prima del rinvenimento.
Nelle applicazioni industriali, infatti, la tempra e' seguita da un raffreddamento sotto-zero e una "ri-tempra", senza soste, per stabilizzare dimensionalmente i pezzi.Cicli vari di congelamento sono utilizzati per strumenti che dovranno lavorare in condizioni critiche.
Le tensioni residue, oltre alla presenza di austenite residua, possono essere causa di fallimento.Infatti le prime, sono il risultato di variazioni di temperatura anche non bruschi, che producono cambiamenti di fase ed espansioni termiche e, di conseguenza, variazioni di volume.
Cio' accade comunemente in condizioni normali, quando i gradienti di temperatura non uniforme producono variazioni di volume e di dimensioni.
Nei pezzi di acciaio lavorati,di spessore relativamente uniforme, specie se di certe dimensioni,la superficie si raffredda prima del nucleo.
Cio' comporta una iniziale trasformazione martensitica dell'austenite sulla superficie del pezzo, durante la fase di tempra, ed una secondaria,piu' avanti nel tempo, del cuore del pezzo.
Questo fenomeno puo' provocare rotture a causa delle tensioni residue, specialmente negli acciai ad alto tenore di carbonio.
Ecco come evitare simili problemi, tramite il trattamento criogenico:
1.La trasformazione omogenea a piu' livelli (tutti)di austenite in martensite,si realizza quando si raggiunge la temperatura di -84 ° C (-120 ° F).
2.L'aumento del volume dovuto alla formazione della martensite è in qualche modo controbilanciato dalla contrazione iniziale dovuta alla refrigerazione.
3.L'espansione del nucleo interno a causa della trasformzione e' in qualche modo bilanciato dall'espansione della calotta esterna.
4.Le parti refrigerate sono cosi' piu' facilmente trattabili.
5.I pezzi che presentano disomogeneita'negli elementi di lega, non possono essere trattati criogenicamente.
Diversamente da come accade per i trattamenti termici canonici, dove deviazioni di temperatura possono comportare problemi riguardo la buona riuscita del lavoro***, per quanto concerne la criogenia, una volta raggiunta la temperatura di -84 ° C (-120 ° F), risulteranno immediatamente evidenti i benefici apportati da questa tecnica ed esposizioni supplementari al freddo non influiranno negativamente.
Strumentazione per il trattamento criogenico
Un comune congelatore "a pozzo"di quelli che abbiamo nelle nostre case puo' essere utilizzato per il trattamento.
Essi infatti raggiungono temperature di circa -18 ° C (0 ° F).
Le caratteristiche di questi congelatori,disponibili in commercio, dovrebbero essere le seguenti:
1. Unità di refrigerazione meccanica con circolazione d'aria a circa -87 ° C (-125 ° F) (Se si usano quelli a ghiaccio secco-la temperatura del ghiaccio e' -78 ° C (-109 ° F), ma la temperatura della camera è normalmente di circa -60 ° C (-75 ° F).
2. Volume della camera, fino a 2,7 m3 (95 FT3).
3.Gamma di temperature, da 5 a -95 ° C (da 40 a -140 ° F); capacità di carico, 11,3-163 kg / h (da 25 a 360 £ / h), capacità termica, fino
a 8.870 kJ / h (8.400 Btu / h).
Sebbene l'azoto liquido a -195 ° C (-320 ° F) può essere impiegato, viene usato meno frequentemente a causa del suo costo.
Cicli di trattamento criogenico
Il trattamento criogenico vero e propio(fin ora abbiamo discusso di sotto-raffreddamento) è costituito da un lento raffreddamento (~ 2,5 ° C / min, o 4,5 ° F / min)attuato con azoto liquido. Quando il materiale e' raffreddato fino ad una temperatura di circa 80 K (-315 ° F), è messo a bagno per un tempo adeguato, in genere 24 ore
Al termine del periodo di sosta, il materiale viene rimosso dal bagno in azoto liquido e lasciato riscaldare a temperatura ambiente.
Conducendo il ciclo di raffreddamento in azoto gassoso, la temperatura può essere controllata in modo accurato e lo shock termico viene evitato. Un unico rinvenimento è di solito eseguito dopo il trattamento criogenico per migliorare la resistenza agli impatti,ma no e' raro effettuare anche piu' rinvenimenti.
Cinetica del trattamento criogenico
Mediante la diffrazione a raggi X si e' appurata la reale trasformazione totalitaria dell'austenie in martensite, dopo cicli di trattamento criogenico.
Inoltre vi e' una teoria che afferma che nell'acciaio trattato in questo modo sussiste una precipitazione di carburi microscopici nella matrice.io' comporta la diminuzione di tensioni interne nella fase martensitica.
Studi su utensili (coltelli)trattati criogenicamente.
Cinque utensili (coltelli)in D2 e ATS-34, sono stati usati per dei test con i trattamenti criogenici e di sotto-raffreddamento.In particolare e' stata testata la loro resistenza all'usura.
Dopo cicli termici convenzionali, i coltelli sono stati sotto-raffreddati -84 ° C (-120 ° F).La loro resistenza all'usura e' migliorata dal 18% al 104%.
In seguito sono stati criogenicamente trattati -190 ° C (-310 ° F), e la loro resistenza all'usura e' migliorata dal 104 % al 560%!!
*In special modo, nel caso in cui si tratti di acciai per utensili ad alto tenore di carbonio e inossidabili martensitici;pezzi cementati.
** Nessun ritardo e' consentito nel Rinvenire, dopo il trattamento a freddo, pena il cracking.
***Per esempio,austenite che, frammentatasi, si trasforma in cementite e bainite.
Bibliografia:.1 R.F. Barron and R.H. Thompson, Effect of Cryogenic Treatment on Corrosion Resistance, in Advances in
Cryogenic Engineering, Vol 36, Plenum Press, 1990, p 1375-1379
2. R.F. Barron, "How Cryogenic Treatment Controls Wear," 21st Inter-Plant Tool and Gage Conference,
Western Electric Company, Shreveport, LA, 1982
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