Trattamenti termici su metalli e leghe
Il trattamento termico può essere definito come un’operazione di riscaldamento e raffreddamento applicata a metalli e leghe allo stato solido per ottenere le proprietà desiderate. Ma perché è così importante? Beh, pensate a come il trattamento termico può trasformare un pezzo di metallo, rendendolo più resistente, più duro o addirittura più facile da lavorare. Gli obiettivi del trattamento termico includono il miglioramento della duttilità, l’alleviamento degli stress interni, l’aumento della durezza e della resistenza alla trazione, tra gli altri.
Principi fondamentali del trattamento termico
Quando si parla di trattamento termico, ci sono due requisiti fondamentali da rispettare: il controllo accurato del profilo di temperatura e il mantenimento della temperatura specificata. Questi due elementi garantiscono che l’intera sezione trasversale del materiale raggiunga una temperatura uniforme. Ma non finisce qui. Il ciclo di raffreddamento è altrettanto cruciale. Può avvenire ad aria o in liquido, e la scelta dipende dalla microstruttura richiesta.
Processi di trattamento termico
Bonifica ( Tempra + Rinvenimento)
Il trattamento termico di tempra degli acciai è un processo essenziale per ottimizzare le loro proprietà meccaniche. Ecco una descrizione approfondita delle fasi e alcune considerazioni specifiche:
1. Riscaldamento
Obiettivo: Trasformare la microstruttura dell’acciaio in austenite.
Temperatura: Il riscaldamento avviene a temperature tipicamente tra 800 °C e 900 °C. La temperatura esatta dipende dalla composizione chimica dell’acciaio (ad esempio, acciai al carbonio vs. acciai legati).
Tempo di mantenimento: Il materiale deve rimanere a questa temperatura sufficientemente a lungo per garantire che l’intero volume raggiunga la fase austenitica. Il tempo varia in base alla dimensione e alla geometria del componente.
Processo: Durante questa fase, le fasi di ferrite e cementite si trasformano in austenite, preparando il materiale per la fase di tempra.
2. Raffreddamento:
Raffreddamento rapido: Subito dopo il riscaldamento ed il mantenimento, il pezzo viene rapidamente raffreddato in un mezzo appropriato:
Acqua: Raffreddamento veloce, porta a una martensite molto dura, ma può causare deformazioni o rotture.
Olio: Raffreddamento più controllato, riduce il rischio di fratture e consente una tempra efficace.
Aria: Utilizzato in situazioni dove è richiesta una tempra meno aggressiva e per acciai che non necessitano di una durezza estrema.
Trasformazione della microstruttura: Il rapido abbassamento della temperatura induce la trasformazione dell’austenite in martensite, caratterizzata da una struttura cristallina tetragonale.
Il risultato è un materiale con elevata durezza e resistenza, ma con una certa fragilità.
3. Rinvenimento
Scopo: Ridurre la fragilità della martensite e migliorare la tenacità del materiale.
Riscaldamento: Il pezzo temprato viene riscaldato a temperature tra 150 °C e 650 °C. Temperature più elevate tendono a ridurre la durezza.
Durata: Il mantenimento a temperatura può variare da 30 minuti a diverse ore, in base alla dimensione e alle caratteristiche desiderate del materiale.
Effetti microstrutturali: Durante il rinvenimento, la martensite può trasformarsi in fasi più stabili, come la troosite o la ferrite, migliorando la tenacità e alleviando le tensioni interne.
Considerazioni Aggiuntive
Controllo del processo: È fondamentale monitorare con precisione le temperature e i tempi per ottenere le proprietà meccaniche desiderate.
Tipo di acciaio: La composizione chimica dell’acciaio influisce notevolmente sul processo di tempra. Gli acciai legati possono richiedere specifiche condizioni di riscaldamento e raffreddamento.
In sintesi, Il trattamento termico di bonifica è un processo che migliora le proprietà meccaniche degli acciai, combinando durezza e tenacità.
Solubilizzazione
Il trattamento termico di solubilizzazione è un processo utilizzato principalmente per migliorare le proprietà meccaniche di leghe metalliche, in particolare negli acciai inossidabili e nelle super leghe. In sintesi, il trattamento termico di solubilizzazione è fondamentale per ottenere leghe metalliche con prestazioni ottimali, migliorando la resistenza meccanica combinata alla resistenza alla corrosione.
Ricottura
La ricottura è un processo di riscaldamento dell’acciaio a una temperatura specifica n e di raffreddamento. Questo processo serve a rendere l’acciaio più lavorabile e a ridurre le sollecitazioni interne.
Processo di Ricottura
Il processo di ricottura consiste nel riscaldare l’acciaio a una temperatura elevata, mantenerla per un certo periodo e poi raffreddare lentamente il materiale. Esistono vari tipi di ricottura, inclusa la ricottura subcritica, che si svolge a temperature inferiori alla linea di trasformazione inferiore (650-700 °C).
Normalizzazione
La normalizzazione è un processo che serve ad uniformare la struttura interna del materiale e a ottenere una maggiore stabilità dimensionale . Questo trattamento viene solitamente eseguito dopo operazioni di forgiatura, estrusione o trafilatura, che tendono a distorcere la struttura a grana del metallo.
Processo di Normalizzazione
Durante la normalizzazione, l’acciaio viene riscaldato a una temperatura elevata e poi raffreddato in aria calma. Questo processo aiuta a ottenere una struttura a grana più uniforme e fine rispetto alla ricottura.
Distensione
La distensione è un trattamento termico intermedio volto a ridurre le sollecitazioni residue indotte dalla lavorazione, fabbricazione e saldatura. Questo processo avviene a temperature relativamente basse (425-700 °C), nella regione della ferrite, senza cambiare la fase dell’acciaio.
Processo di Distensione
Durante la distensione, l’acciaio viene riscaldato e mantenuto a una temperatura specifica per un certo periodo, permettendo la riduzione delle sollecitazioni residue. È essenziale controllare attentamente la temperatura per evitare l’ossidazione superficiale e mantenere la durezza desiderata.
Dettagli dei processi di trattamento termico
Ricottura
La ricottura richiede temperature precise e un raffreddamento lento. La temperatura di processo varia in base al tipo di acciaio e alle proprietà desiderate, ma generalmente si situa nella regione dell’austenite.
Temperature di processo e velocità di raffreddamento
Le temperature di processo per la ricottura possono variare, ma solitamente si trovano intorno ai 700-900 °C. La velocità di raffreddamento è estremamente lenta, spesso compresa tra 2.5°C all’ora e 28°C all’ora, per garantire una microstruttura uniforme.
Normalizzazione
La normalizzazione prevede il riscaldamento dell’acciaio a temperature elevate, seguite da un raffreddamento in aria calma. Questo processo aiuta a ottenere una struttura a grana uniforme.
Temperature di Processo e Velocità di Raffreddamento
Le temperature di normalizzazione sono simili a quelle della ricottura, ma la velocità di raffreddamento è più veloce, solitamente in aria calma, per evitare la formazione di una struttura a grana grossolana.
Distensione
La distensione si svolge a temperature più basse rispetto alla ricottura e alla normalizzazione, e serve a ridurre le sollecitazioni residue senza alterare la fase dell’acciaio.
Temperature di processo e effetti sulle sollecitazioni residue
Le temperature di distensione variano tra 425 e 700 °C. Temperature più alte possono ridurre la durezza dell’acciaio e aumentare il rischio di ossidazione superficiale, perciò è spesso preferibile utilizzare temperature più basse.
Applicazioni pratiche dei trattamenti termici
Industria Automobilistica
Nell’industria automobilistica, i trattamenti termic su metallii vengono utilizzati per migliorare la resistenza e la durata dei componenti, come alberi motore e ingranaggi.
Industria Aerospaziale
L’industria aerospaziale sfrutta i trattamenti termici per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali utilizzati nella costruzione di aeroplani e componenti spaziali.
Produzione di utensili e stampi
La produzione di utensili e stampi richiede metalli con elevate durezze e resistenze all’usura, ottenibili tramite trattamenti termici specifici.
Vantaggi dei trattamenti termici su metalli
Miglioramento della duttilità
I trattamenti termici su metalli possono rendere i materiali più duttili, facilitando la loro lavorazione e formatura.
Alleviare gli stress interni
Il trattamento termico aiuta a ridurre le sollecitazioni residue, migliorando la stabilità dimensionale e la resistenza del materiale.
Aumento della durezza
Alcuni trattamenti termici possono aumentare significativamente la durezza del materiale, rendendolo più resistente all’usura e alla deformazione.
Miglioramento della lavorabilità
La lavorabilità dei materiali può essere migliorata grazie ai trattamenti termici, facilitando processi di taglio, saldatura e formatura.
Sfide e considerazioni
Controllo della microstruttura
Il controllo della microstruttura è essenziale per ottenere le proprietà desiderate del materiale, richiedendo un’attenta gestione del profilo di temperatura e dei tempi di raffreddamento.
Gestione delle deformazioni
Le deformazioni possono verificarsi durante i trattamenti termici, richiedendo tecniche di controllo precise per minimizzarle e mantenere le dimensioni del materiale entro tolleranze accettabili.
In sintesi, i trattamenti termici su metalli sono fondamentali per migliorare le proprietà meccaniche e fisiche dei metalli e delle leghe. Comprendere i vari processi, come la ricottura, la normalizzazione e la distensione, è essenziale per ottimizzare le applicazioni industriali e garantire prodotti di alta qualità.
FAQ
Che cos’è il trattamento termico?
Il trattamento termico è un’operazione di riscaldamento e raffreddamento applicata ai metalli per modificare le loro proprietà meccaniche e fisiche.
Quali sono i principali processi di trattamento termico?
I principali processi di trattamento termico includono la ricottura, la normalizzazione e la distensione.
Perché è importante il controllo del profilo di temperatura?
Il controllo del profilo di temperatura è cruciale per garantire una microstruttura uniforme e ottenere le proprietà desiderate nel materiale trattato.
Quali settori utilizzano i trattamenti termici?
I trattamenti termici sono utilizzati in vari settori, tra cui l’industria automobilistica, l’industria aerospaziale e la produzione di utensili e stampi.
Quali sono i vantaggi della normalizzazione rispetto alla ricottura?
La normalizzazione produce una struttura a grana più fine e uniforme rispetto alla ricottura e può migliorare la resistenza e la stabilità dimensionale del materiale.
