Trattamenti Termici degli
acciai
Indice
Voci
Tempra 1
Rinvenimento 7
Ricottura 8
Carbocementazione 10
Nitrurazione 12
Note
Fonti e autori delle voci 14
Fonti, licenze e autori delle immagini 15
Licenze della voce
Licenza 16
Tempra 1
Tempra
Il trattamento di tempra o tempera [1] in generale consiste nel brusco raffreddamento di un materiale dopo averlo
portato ad alta temperatura. Questo processo è molto comune per i metalli, ma è utilizzato ad esempio anche per il
vetro.
Metallo
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 2
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:
• 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.
Tempra 3
Permanenza in temperatura
Il tempo di permanenza dipende dal grado desiderato di dissoluzione dei carburi:
• acciai da costruzione, al carbonio e basso-legati: 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.
Tempra 4
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).
Patentamento
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.
Tempra 5
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 di 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).
Vetro
Procedimento
Gli stati di tensione possono essere visti
osservando il vetro in luce polarizzata.
Il pezzo deve essere tagliato alle dimensioni richieste e ogni
lavorazione (come levigatura degli spigoli o foratura e svasatura) deve
essere effettuata prima della tempra. Il vetro è quindi posto su un
tavolo a rulli su cui scorre all'interno di un forno che lo riscalda alla
temperatura di tempra di 640 °C. Quindi è rapidamente raffreddato da
getti di aria. Questo processo raffredda gli strati superficiali
causandone l'indurimento, mentre la parte interna rimane calda più a
lungo. Il successivo raffreddamento della parte centrale produce uno
sforzo di compressione sulla superficie bilanciato da tensioni
distensive nella parte interna. Gli stati di tensione possono essere visti
osservando il vetro in luce polarizzata.
Vantaggi e svantaggi
Il vetro temperato[2] è circa sei volte più resistente del vetro float, questo perché i difetti superficiali vengono
mantenuti chiusi dalle tensioni meccaniche compressive, mentre la parte interna rimane più libera da difetti che
possono dare inizio alle crepe.
Tempra 6
Uno dei principali vantaggi del vetro temperato riguarda l'uso per porte, piani e ante destinate all'uso civile e
abitativo, La tempra impedisce che, in caso di rottura, porzioni più o meno grandi della lastra di vetro possano
procurare ferite o mettere in pericolo l'incolumità degli utilizzatori o di chi casualmente potrebbe trovarsi nelle
vicinanze in occasione di una rottura che potrebbe essere causata dai più disparati motivi: urti violenti con carrelli,
utensili , cadute, o cose simili.
D'altro canto queste tensioni hanno degli svantaggi. A causa del bilanciamento degli sforzi, un eventuale danno sul
bordo della lastra causa la frantumazione del vetro in molti piccoli frammenti. Questo è il motivo per cui il taglio
deve essere effettuato prima della tempra e nessuna lavorazione può essere fatta dopo.
Voci correlate
• Trattamenti termici degli acciai
Collegamenti esterni
• (IT) A proposito del riscaldamento ad induzione [3]
• (EN) Trattamento termico [4]
• (IT) Tempra diretta [5]
Note
[1] Ambedue i termini sono corretti anche se il secondo è meno frequente. Usato ad esempio per il vetro temperato.
[2] Nel caso del vetro è molto più frequente l'uso del termine "temperato" che non del termine "temprato"
[3] http:/ / it. ambrell. com/ aboutinduction. php
[4] http:/ / www. ameritherm. com/ overview_hardening. html
[5] http:/ / www. youtube. com/ watch?v=W6Yy2bMQYo0
Rinvenimento 7
Rinvenimento
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.
Nel rinvenimento si riscalda a temperatura T < Ac1 sufficiente a ripristinare la diffusività di un elemento presente in
minore quantità nel metallo, in modo che tale elemento possa separarsi dalla matrice in forma finemente dispersa.
Un'applicazione tipica è la trasformazione della martensite e dell'eventuale austenite residua per riscaldamento di un
acciaio. Gli stadi di questo processo, per un acciaio al solo carbonio, sono elencati di seguito.
• Primo stadio 80-160 °C: la martensite con C < 0,2% non ha trasformazioni di fase, ma solo un addensamento del
C presso le dislocazioni; se C > 0,2%, la martensite si porta a una concentrazione di C dello 0,2% grazie alla
precipitazione del carburo ε di composizione Fe2,4C, riducendo così le sue distorsioni reticolari e quindi la
fragilità.
• Secondo stadio 100-300 °C: l'austenite residua si trasforma in bainite inferiore, con aumento del volume
dell'acciaio.
• Terzo stadio 250-400 °C: la martensite con C = 0,2% e il carburo ε cominciano a trasformarsi in ferrite e
cementite, formando la troostite di rinvenimento (simile alla Bainite) dove avviene il completo recupero
dell'Austenite residua.
• Quarto stadio 400-700 °C: gli sferoidi minori di cementite accrescono quelli maggiori, dando origine alla sorbite
di rinvenimento, e, continuando oltre i 600 °C, la ferrite ricristallizza in cristalli equiassici: si ottiene la perlite
globulare, la struttura più stabile e lavorabile alle macchine utensili.
Per un acciaio legato si può avere un quinto stadio: per temperature di rinvenimento oltre i 500 °C e tenori elevati di
elementi si ha la precipitazione di carburi dei soli elementi metallici M (ad esempio MC o M2C), con conseguente
nuovo aumento della durezza.
Esistono casi particolari in cui il rinvenimento può portare a fragilità:
• Fragilità a 250-400 °C, irreversibile: ne risentono gli acciai al carbonio e quelli bassolegati
• Fragilità a 450-550 °C, reversibile: è nota anche come malattia di Krupp e si ipotizza causata dalla formazione di
un precipitato ai giunti dei grani, che abbassa la coesione intercristallina.
Il fenomeno della fragilità al rinvenimento si ha quando nel passaggio lento nel campo di temperatura critico (circa
tra i 300 e 500 °C) durante il rinvenimento avviene che per alcuni acciai diminuisce molto la resilienza, l'acciaio
risulta ancora più fragile della martensite. Sono soggetti a questo fenomeno gli acciai a grana grossa (rispetto a quelli
a grana fine) e gli acciai al cromo, cromo-nichel, manganese, cromo-manganese. Per eliminare il fenomeno della
fragilità al rinvenimento ci sono tre possibilità:
1- Raffreddamento veloce dell'acciaio in modo che la caduta ai bordi dei cristalli non avvenga;
2- Rinvenimento eseguito a temperature inferiori all'intervallo critico (questo però non ci permette di ottenere la
struttura sorbite, cioè quella tipica degli acciai da costruzione);
3- Aggiunta di elementi di alligazione (Molibdeno, Tungsteno) nell'acciaio in grado di eliminare questo fenomeno.
Rinvenimento multiplo
Il trattamento di rinvenimento deve sempre essere eseguito immediatamente dopo la tempra o addirittura prima che il
pezzo si raffreddi sotto gli 80 °C, così da evitare (o ridurre di molto) la formazione delle cricche.
Lo svantaggio di questa procedura è che si rischia di stabilizzare una certa quantità di austenite non ancora
trasformata in martensite. Se però il rinvenimento è portato ad alta temperatura, per esempio fino 500 °C negli acciai
rapidi, non si trasforma più l'austenite in bainite, tuttavia la si impoverisce di carbonio, ne si innalza Ms e Mf e se ne
favorisce infine la trasformazione in martensite.
Risulta quindi necessario un successivo rinvenimento, che tenacizza l'ultima martensite formatasi. Su acciai rapidi e
Rinvenimento 8
alto legati si può arrivare fino a quattro rinvenimenti successivi.
Voci correlate
• Trattamenti termici degli acciai
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. 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 la ricottura simulata
(o simulated annealing) che è una metaeuristica simile agli algoritmi genetici.
Ricottura completa o profonda
Detta anche genericamente ricottura, essa è eseguibile sugli acciai dotati di punti di trasformazione e consiste in:
• riscaldamento fino a Ac3 + 25-50 °C oppure Ac1 + 50-70 °C;
• sosta in tale condizione per circa 1 ora ogni 50 mm di spessore;
• raffreddamento lento in forno (50-100 °C/h) fino alla formazione stabile di ferrite, perlite o carburi: per acciai al
carbonio o debolmente legati vuol dire fino a 600 °C, per acciai molto legati anche 300 °C; in seguito si può
raffreddare il pezzo più rapidamente in aria.
La struttura perlitica così raggiunta comporta l'addolcimento massimo e quindi un'ottima lavorabilità a freddo. Lo
svantaggio è costituito dal lungo tempo di trattamento e della formazione struttura grossolana
Ricottura di omogeneizzazione
A differenza della precedente, non necessita di acciai con punti di trasformazione; essa raggiunge risultati simili, ma
si sottolinea soprattutto la sua necessità per sciogliere eventuali fasi fragili presenti, ad esempio carburi eutectici
grossolani, che, sopravvivendo alle successive lavorazioni a caldo, infragilirebbero pezzi in esercizio, come il
tagliente di utensili in acciaio rapido o superfici di attrito di cuscinetti.
Essendo costosa, si deve valutarne attentamente la necessità, di solito evidente solo per acciai di elevata qualità per
applicazioni critiche (unico caso di acciaio al carbonio che viene così ricotto è quello automatico, per evitare che le
segregazioni di zolfo ai giunti dei grani provochino fragilità al rosso).
Ricottura 9
Il processo prevede una permanenza di parecchie ore a T = Ac3 + 100-200 °C: questo comporta notevoli perdite per
ossidazione e, negli acciai ipoeutectoidici, ingrossamento della grana cristallina (surriscaldamento), a cui porre
rimedio con la normalizzazione.
Ricottura isotermica o incompleta
Volendo velocizzare la ricottura profonda o di globulizzazione, si può optare per la ricottura isotermica, la quale
prevede:
• austenitizzazione ad una temperatura maggiore di Ac3 (acciai ipoeutectoidici) o di Ac1 (acciaio ipereutectoidici)
per ottenere l'equilibrio strutturale;
• sottoraffreddamento fino a Tiso non troppo inferiore ad A1 (650-700 °C);
• permanenza fino alla completa trasformazione dell'austenite (vedi curve TTT di Bain);
• raffreddamento in aria o altro, dato che la velocità di raffreddamento non influenza più la trasformazione.
La Tiso determina la struttura finale dell'acciaio e quindi la sua durezza, scelta in base alla desiderata deformabilità o
lavorabilità alle macchine utensili. Si ottiene così ferrite e/o perlite lamellare strutturalmente molto uniformi, grazie
alla sosta a temperatura costante.
Ricottura di coalescenza o di globulizzazione
Detta anche ricottura pendolare, conferisce alla cementite una conformazione nettamente sferoidale e una
distribuzione uniforme. La perlite globulare ha una configurazione stabile, in quanto l' energia superficiale
diminuisce rispetto alla configurazione lamellare: questo trattamento aumenta quindi la tenacità e duttilità. Si opera
con un tempo di riscaldamento molto lungo (circa 30 ore) o oscillando la temperatura di 20-30 °C attorno ad A1.
Il risultato tecnologico è un acciaio ben truciolabile e stampabile anche a freddo, costituito da ferrite interrotta da
globuli di cementite. Lo svantaggio consiste in una ritardata dissoluzione della cementite nell'austenite nella
successiva tempra.
Ad esempio l'acciaio 100Cr6, per la costruzione di cuscinetti a rotolamento, è così trattato.
Voci correlate
• Trattamenti termici degli acciai
• Incrudimento
Collegamenti esterni
• Forni industriali di ricottura Tentorio [1]
Note
[1] http:/ / www. tentorio. com/ english. html
Carbocementazione 10
Carbocementazione
La carbocementazione è un processo metallurgico utilizzato per aumentare la resistenza all'usura degli acciai,
sviluppata presso i laboratori del Regio Politecnico di Torino dal prof. Giolitti.
L'arricchimento superficiale in carbonio, e la conseguente formazione di carburi, è utile per conferire resistenza
all'usura e rafforzamento grazie al meccanismo di Orowan in superficie, unite a tenacità interna (per esempio per
denti di ingranaggi). Conviene eseguirlo su acciaio dolce portato oltre Ac3, in quanto l'austenite solubilizza meglio il
carbonio.
Il carbonio migra oltre la superficie per diffusione, quindi la legge che ne regola il meccanismo è la seconda legge di
Fick; importanti sono inoltre parametri come la temperatura, il tipo di reticolo metallico, la differenza di
concentrazione tra ambiente esterno e interno (quindi si usa acciaio dolce con C < 0,2%, così che la forza motrice
dovuta al gradiente di concentrazione sia la massima possibile) e l'estensione dei giunti dei grani (attraverso i quali
gli atomi diffondono meglio).
Esistono diversi metodi di carbocementazione, in base alla sostanza cementante, ma si sottolinea che l'ambiente è
sempre gassoso, in quanto vi è sempre la necessità del trasporto operato dall'ossido di carbonio.
Prodotti di solito cementati: ingranaggi.
Esempio di acciaio cementabile: 18CrMo4.
Carbocementazione solida
Il pezzo è introdotto in una cassetta e ricoperto di cemento solido (85% carbone vegetale e 15% di carbonato di bario
e agenti catalizzatori), quindi portato a una temperatura accettabile in considerazione della necessaria velocità di
esecuzione e del non eccessivo ingrossamento della grana cristallina. È un processo semplice ma non
particolarmente efficace.
La sostanza cementante è il CO, che viene prodotto per reazione del carbone con l'ossigeno:
2C + O
2
--> CO
Il CO fornisce carbone secondo la reazione
2CO --> CO
2
+ C
Il C prodotto diffonde in modo interstiziale nell'acciaio. Spesso il processo viene accelerato con l'aggiunta di
carbonato di bario:
BaCO
3
--> BaO + CO
2
La CO2 prodotta reagisce con il carbone per produrre CO:
CO
2
+ C --> 2CO
Il trattamento avviene a circa 900 °C, quando l'acciaio è in campo γ. Se alcune zone non devono essere cementate,
vengono ricoperte con rame elettrodepositato o con argilla.
Carbocementazione 11
Carbocementazione in bagno di sali
Si circonda il pezzo di cemento liquido (miscela di NaCl, NaCN e Na2CO3) ad una temperatura compresa tra 870 e
950 °C; vi è anche dell'azoto che, se in modesta quantità, aiuta a indurire lo strato superficiale.
Il cianuro tende ad ossidarsi alla superficie per dare cianato:
2NaCN + O
2
--> 2NaCNO
Il cianato tende a decomporsi alla superficie:
8NaCNO --> 4NaCN + Na
2
CO
3
+ 2 CO + 4N
2CO --> CO
2
+ C
Oltre al C si ha diffusione di azoto (nitrurazione).
È un processo più veloce, preciso e meno influenzante la dimensione della grana cristallina e l'aspetto superficiale
del pezzo trattato. Si usa per ingranaggi di biciclette e motociclette, catene, parti di computer, armi, strumenti di
precisione.
Carbocementazione in fase gassosa
È il metodo di cementazione più diffuso e più facile da controllare, nonché l'unico utilizzato attualmente.
L'agente cementante è ossido di carbonio creato dalla combustione di gas naturale, metano, etano, propano, butano o
carbone a circa 900 °C, secondo la reazione:
2CO --> C + CO
2
Altro carbonio deriva dalla piroscissione degli idrocarburi saturi.
Il potenziale di carbonio dell'atmosfera deve essere sempre maggiore della concentrazione di tale elemento nel pezzo
trattato, altrimenti prevale la decarburazione promossa da CO2, H2O e H2. Inizialmente esso è pari a quello di
saturazione dell'austenite alla temperatura di processo (fase di cementazione attiva). In seguito si abbassa la
concentrazione di C dell'atmosfera al valore che si vuole avere sulla superficie del pezzo, così che l'eccesso di C
diffonda verso l'interno (periodo di diffusione).
Trattamento termico dei pezzi cementati
L'ottenimento di buone proprietà meccaniche necessita di un trattamento termico separato per il cuore e per la
superficie.
Trattamento termico del cuore
Essendo il contenuto di carbonio basso, il cuore viene portato in campo austenitico, a circa 880 °C, e
successivamente temprato in acqua. Si ottiene una miscela di ferrite, bainite e martensite, a grano fine.
Trattamento termico della superficie
Nel corso del primo trattamento, la superficie viene completamente trasformata in martensite. Per questo si procede
ad un trattamento a circa 760 °C, in cui la superficie si trasforma in austenite, seguito da tempra in acqua, con
l'ottenimento di martensite fine.
Un rinvenimento a circa 200 °C completa il ciclo.
Carbocementazione 12
Voci correlate
• Carbonitrurazione
• Nitrurazione
Nitrurazione
La nitrurazione è un processo industriale di indurimento superficiale dell'acciaio.
Il procedimento consiste nel portare il metallo a 550 °C circa (il tempo di trattamento è quindi lungo) per introdurvi
azoto atomico, il quale viene assorbito dalla ferrite superficiale del metallo e forma nitruri, prevalentemente Fe4N,
molto duri e che distorcono il reticolo cristallino. Il meccanismo di rafforzamento che quindi interviene è quello di
Orowan.
Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per carbocementazione, ma in compenso la sua durezza
è molto maggiore e rimane stabile fino a temperature di 600-700 °C.
Non è possibile utilizzare l'azoto molecolare, eccessivamente ingombrante, per cui si ricava l'azoto atomico dalla
dissociazione termica dell'ammoniaca o dalla diffusione da bagni di sale.
Vantaggi:
• durezza superficiale e resistenza all'usura;
• stabilità al rinvenimento e quindi durezza a caldo;
• resistenza alla fatica e agli intagli;
• resistenza alla corrosione;
• stabilità dimensionale
• i pezzi possono essere sottoposti al trattamento completamente finiti perché il processo, avvenendo a bassa
temperatura, non provoca tensioni e deformazioni.
Considerato il costo elevato, si nitrurano solo acciai dove il risultato sia tale da compensare la spesa: quindi quelli
contenenti cromo, molibdeno e alluminio (< 1%), che formano nitruri più efficaci di quelli di ferro. Si preferiscono
inoltre acciai bonificati perché è necessaria tenacità al cuore del pezzo e perché la struttura fine creata con la bonifica
facilita la diffusione dell'azoto. Ne sono esempi il 41CrAlMo7 e il 42CrMo4.
Utilizzi più frequenti: calibri, riscontri, ingranaggeria di precisione, fasce elastiche, alberi a camme e a gomiti per la
nitrurazione in fase gassosa; utensili di acciaio rapido a profilo costante (creatori, maschi, pettini, punte), acciai
inossidabili o per valvole austenitici, alcuni acciai per stampi per la nitrurazione in bagno di sale.
Si sconsiglia di nitrurare pezzi sottoposti a elevata compressione.
Nitrurazione in fase gassosa
La dissociazione termica dell'ammoniaca, catalizzata dall'acciaio, produce:
2NH3 <-> 2N + 3H2
quindi azoto atomico che diffonde nel ferro. Superati i limiti di solubilità dell'azoto nel ferro si formano i nitruri di
ferro. Il primo nitruro che si forma quello a minor contenuto di azoto Fe4N, all'aumentare del tenore di azoto
assorbito si forma il nitruro Fe2N. La durezza e la profondità dello strato sono legate alle variabili che regolano tale
processo, quindi:
• composizione dell'acciaio;
• Potenziale nitrurante (legato al grado di dissociazione dell'ammoniaca);
• temperatura di trattamento (influenza il grado di dissociazione);
• tempo di permanenza.
Nitrurazione 13
Il Potenziale Nitrurante Np (grado di dissociazione dell'ammoniaca) influenza lo spessore e la morfologia della
coltre bianca (strato di Fe2N e Fe4N) presente sulla superficie del pezzo; tale strato cede l'azoto all'acciaio
sottostante per generare la diffusione dell'azoto nella matrice metallica. Lo strato di coltre bianca può essere
eliminato con la rettifica; altrimenti, con l'introduzione di una fase a potenziale nitrurante ridotto (si aumenta il grado
di dissociazione) prima della fine del processo si può ridurre o eliminare totalmente la coltre bianca.
Voci correlate
• Carbonitrurazione
• Carbocementazione
Fonti e autori delle voci 14
Fonti e autori delle voci
Tempra Fonte::
http://it.wikipedia.org/w/index.php?oldid=31900529 Autori:: Adfc, Agentilini, Ary29, Aushulz, Avesan, Bartolomio, Basilicofresco, Bumba, Ermanon, Frack, Gianpietro72,
Gleridis, Itisverdi, Jacopo, Madaki, Marika Tiemersma, Mars79, Midnight bird, Paginazero, Piero, Piero Montesacro, Qualc1, Quelbravoragazzo, Retaggio, Sbisolo, Simone, Square87, Tiesse,
Towerman, Twice25, Vomitron, 30 Modifiche anonime
Rinvenimento Fonte::
http://it.wikipedia.org/w/index.php?oldid=30418180 Autori:: Adfc, Aushulz, Avesan, Bumba, Hellis, Jacopo Werther, Marcol-it, Massimiliano Lincetto, Mau db,
Salvatore Ingala, Senpai, Tiesse, 4 Modifiche anonime
Ricottura Fonte::
http://it.wikipedia.org/w/index.php?oldid=28879665 Autori:: Adfc, Archenzo, Aushulz, Avesan, Bggoldie, Bumba, CarloV, Cellax, ChemicalBit, Dariospartaco, Fiaschi,
Frieda, Lanerossi, M7, Madaki, Raggiante, Senpai, Tiesse, Tujo, 13 Modifiche anonime
Carbocementazione Fonte::
http://it.wikipedia.org/w/index.php?oldid=30301914 Autori:: Adfc, Aushulz, Avesan, Buggia, Bumba, CavalloRazzo, Cisco79, Dommac, Francisco83pv, Piero
Montesacro, Tiesse, 4 Modifiche anonime
Nitrurazione Fonte::
http://it.wikipedia.org/w/index.php?oldid=31169723 Autori:: Adfc, Aushulz, Avesan, Buggia, CavalloRazzo, Francisco83pv, Guam, Mancusoantonio, Montreal, Rojelio,
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