Ricottura

Lo scopo della ricottura è quello di addolcire l'acciaio per renderlo atto alle lavorazioni meccaniche e/o plastiche, di eliminare le tensioni residue e di distruggere gli effetti di una deformazione plastica, di una saldatura o di un trattamento termico precedente. Esistono vari cicli di ricottura la cui scelta viene fatta in relazione alla durezza ed alle strutture necessarie per un determinato tipo di lavorazione. I cicli più usati sono: Ricottura subcritica : comprende un riscaldo a temperatura al di sotto del punto di trasformazione Ac1, un mantenimento adeguato a questa temperatura ed infine un raffreddamento a piacere anche in aria libera. Questo trattamento, che per la sua economicità è il più diffuso per gli acciai da costruzione, viene eseguito sia per addolcire l'acciaio che per eliminare tensioni residue ed effetti di deformazione plastica. La struttura ottenuta è prevalentemente costituita da forme perlitiche globulari molto fini, non sempre ben risolte. Appartiene a questa classe la cosidetta ricottura di lavorabilità che viene normalmente eseguita ad una temperatura di ca. 50 °C al di sotto del punto Ac1 in modo da addolcire il materiale senza modificarne sostanzialmente la struttura. Ricottura isotermica (fig. 2 curve 1 e 2): consiste in un riscaldo a temperatura, nell'intervallo C1 ÷ AC3 oppure sopra AC3, seguito da un raffreddamento ad una velocità relativamente elevata fino ad una conveniente temperatura del campo perlitico alla quale si permane per il tempo sufficiente a completare la trasformazione, il raffreddamento finale, fino a temperatura ambiente, può essere condotto velocemente con notevole guadagno di tempo. Temperature di trasformazione sopra il cosiddetto gomito della zona perlitica (ciclo di raffreddamento 1) tendono a formare strutture a carburi globulizzati (ricottura isotermica sferoidale), ma esigono tempi piuttosto lunghi. Questo stato strutturale è particolarmente favorevole per gli acciai ipoeutettoidi destinati alle operazioni di formatura a freddo; per gli acciai ipereutettoidi viene considerato lo stato ideale ed indispensabile per ogni tipo di lavorazione meccanica. Le trasformazioni in corrispondenza del gomito perlitico (ciclo di raffreddamento 2) avvengono in tempi relativamente brevi e le strutture risultano a perlite lamellare a blocchi più o meno compatti (ricottura isotermica). Questo stato strutturale è particolarmente indicato per ottenere, nel caso di lavorazioni meccaniche particolarmente impegnative, sensibili miglioramenti di lavorabilità all'utensile.

Tempra superficiale

Tempra superficiale (o anche in tutta la sezione) con riscaldo ad induzione. Questo trattamento richiede impiego di apparecchiature particolari, che consistono essenzialmente in una bobina percorsa da corrente ad alta frequenza generante un campo magnetico. Mettendo il pezzo di acciaio entro questa bobina si genera in esso una corrente indotta che, per effetto Joule, riscalda rapidissimamente l'acciaio sopra AC3. L'acqua di tempra può essere addotta dalla stessa spirale di rame che fa da induttore, oppure da condutture separate ma sempre vicine all'induttore. Con frequenze molto elevate (100.000 - 600.000 Hz) il riscaldamento interessa uno strato superficiale molto sottile, ma diminuendo la frequenza (2.000 - 20.000 Hz) possono essere ottenute maggioriprofondità di riscaldo. Con frequenze ancora più basse si ottengono riscaldi totali fino al cuore e questa particolarità viene sfruttata negli impianti di tempra (e successivo rinvenimento) a passaggio con riscaldo ad induzione.

Cementazione

La “carbocementazione” o più semplicemente “cementazione”, ha lo scopo di ottenere un prodotto che, dopo i successivi trattamenti termici, presenti uno strato superficiale durissimo e resistente all'usura, unitamente ad un cuore tenace. Essa consiste nella carburazione superficiale di acciai a basso tenore di carbonio, ottenuta mediante lungo mantenimento ad alta temperatura in mezzi capaci di cedere tale elemento. Dopo la tempra, alla superficie del pezzo cementato, si avrà la struttura e la durezza propria degli acciai con circa 1% di carbonio temprati, mentre al cuore, a basso tenore di carbonio e perciò poco sensibile all'effetto indurente della tempra, si avrà duttilità e tenacità, non disgiunte (specie nel caso degli acciai legati) da una considerevole resistenza. Gli acciai detti appunto da “cementazione” sono dunque caratterizzati da un basso tenore di carbonio, di norma non superiore a ~0,25 %; ciò li distingue nettamente dagli acciai “da bonifica” a tenore di carbonio più elevato. Il trattamento più indicato per conferire al pezzo cementato le migliori caratteristiche sia al cuore che in pelle è quello che si basa sulla doppia tempra. La prima tempra, da temperatura più alta, rigenera la struttura della parte interna mentre la parte esterna viene ad essere temprata da una temperatura più elevata di quella che le compete. Con la seconda tempra, da temperatura più bassa, il nucleo risulta meno efficacemente temprato mentre nella parte esterna si sviluppa la massima durezza. Normalmente si preferisce un trattamento più economico costituito dalla tempra unica, che presenta anche il vantaggio di evitare eccessive deformazioni dei pezzi. Questo trattamento esige che l'acciaio abbia un grano austenitico fine (grano controllato). Con la tempra unica il pezzo cementato viene temprato direttamente dalla temperatura di cementazione, previo raffreddamento fino alla temperatura di tempra propria dello strato cementato, con sosta a questa temperatura per consentire una migliore diffusione del carbonio (tempra diretta). Dopo la tempra occorre eseguire un rinvenimento di distensione nell'intervallo 150° - 200 °C tenendo presente che questo trattamento provoca una lieve diminuzione della durezza.

Nitrurazione

È una operazione di indurimento superficiale analoga alla precedente; in questo caso l'elemento assorbito è l'azoto. L'operazione consiste in un prolungato mantenimento a circa 500 °C in mezzi capaci di cedere detto elemento; a differenza della cementazione, essa viene eseguita su materiale già bonificato e non richiede trattamenti successivi. Gli acciai da nitrurazione sono veri e propri acciai da bonifica contenenti elementi speciali (alluminio, cromo, molibdeno, vanadio). L'indurimento superficiale è dovuto alla formazione di azoturi assai duri (di alluminio, cromo, ect.), mentre la presenza del molibdeno è indispensabile allo scopo di combattere la fragilità di rinvenimento che altrimenti l'acciaio assumerebbe durante la nitrurazione. La nitrurazione, come la cementazione ed in genere come tutti i procedimenti di indurimento superficiale, ha lo scopo di aumentare, oltre la resistenza all'usura, anche la resistenza alla fatica. Si ricorda: - l'indurimento superficiale, mediante la nitrurazione, è dovuto alla formazione di azoturi di alluminio-cromo-vanadio e ferro nell'acciaio ed è quindi conseguenza di una reazione chimica e non di una trasformazione strutturale degli acciai, per trattamento termico, come avviene invece per tutti gli altri processi di indurimento superficiale (cementazione, tempra superficiale, ecc.); - l'azoto assorbito in superficie, si diffonde lentamente negli strati sottostanti fino a raggiungere profondità massime di qualche decimo di millimetro (circa 5/10 per 55 ore di effettiva permanenza a temperatura).

Temprabilità e Prova Jominy

Quando un particolare in acciaio viene temprato si forma una quantità più o meno elevata di una struttura denominata martensite; la durezza del pezzo è funzione della percentuale di struttura martensitica ottenuta, la cui durezza dipende a sua volta dal tenore di carbonio presente nell'acciaio. In figura 3 è indicata la variazione della durezza HRC in funzione del tenore di carbonio a fronte di diverse percentuali di martensite. La capacità di un acciaio di assumere più o meno profondamente, dopo tempra, una struttura martensitica, ovvero di accrescere la sua durezza in funzione della penetrazione della trasformazione martensitica nella sezione del pezzo, si definisce temprabilità. La distribuzione della durezza nella sezione è determinata dalla sua dimensione, dal tenore di carbonio e degli elementi di lega, dalla dimensione dal grano austenitico e dalle condizioni di tempra (temperatura di austenitizzazione, tempo di permanenza, mezzo di spegnimento). La temprabilità viene usualmente valutata mediante la prova Jominy (UNI 3150) con la quale si ottiene una curva durezza-distanza dall'estremità temprata. Dagli intervalli della composizione chimica previsti dalle unificazioni, deriva una banda di temprabilità Jominy (vedi figura 4) per ogni tipo di acciaio. La distanza (Jominy) dall'estremità temprata della provetta in esame, alla quale corrisponde la durezza relativa ad una percentuale di martensite (previamente fissata in maniera opportuna per le varie classi di acciaio), può essere utilizzata come criterio per classificare gli acciai in base alla loro temprabilità. Nella pratica industriale si ritiene soddisfacente avere a cuore il 50% di martensite negli acciai da bonifica, il 70% in quelli da cementazione e l'80% negli acciai per molle od in particolari notevolmente sollecitati. Le caratteristiche tensili, di tenacità e di resistenza a fatica sono funzioni della percentuale di martensite ottenuta dopo tempra: la temprabilità è perciò uno dei parametri fondamentali per la scelta di un acciaio le cui caratteristiche intrinseche debbono essere esaltate tramite trattamento termico. La possibilità di risalire dai risultati della prova Jominy all'andamento della durezza sui particolari temprati, deriva dal fatto che a una data distanza dell'estremità temprata della prova Jominy, corrisponde una velocità di raffredamento determinata. Stabilito che la stessa velocità di raffreddamento, a partire dalla temperatura di austenitizzazione, provoca sempre uguali trasformazioni e conduce sempre ad una struttura determinata ed a una durezza ben definita, le durezze della curva Jominy devono corrispondere alle stesse durezze nei punti dei particolari trattati aventi una velocità di raffreddamento equivalente. Al di sopra di ogni banda Jominy per spegnimenti in olio poco agitato, limitatamente al centro, a 3/4 del raggio da esso ed alla superficie viene riportata detta corrispondenza. Per la qualità di acciaio riferite a norme EN sono state riportate le bande Jominy: H Temprabilità normale, HH Temprabilità ristretta 2/3 superiore, HL Temprabilità ristretta 2/3 inferiore. Si voglia ad esempio conoscere quale è il diametro massimo di un tondo in 39NiCrMo3 che, mediamente dopo tempra, abbia a cuore almeno il 50% di martensite. A tale scopo si consulti il diagramma di figura 3: dopo aver visto che a M = 50% e C = 0,39% corrisponde per interpolazione una durezza HRC = 42, con la retta corrispondente a tale durezza si intersechi la curva mediana della banda Jominy (figura 4) e si ricava a quale distanza Jominy ciò avviene (31 mm). Dalla tabella di correlazione distanze Jominy-diametri corrispondenti si riscontra che tale durezza si può ottenere dopo tempra in olio al centro di un tondo di Ø 85 mm, a 3/4 di raggio dal centro per un tondo di Ø 108 mm.