I. Il concetto base del trattamento termico.
A. Il concetto base del trattamento termico.
Gli elementi e le funzioni di base ditrattamento termico:
1. Riscaldamento
Lo scopo è ottenere una struttura austenitica uniforme e fine.
2. Tenere
L'obiettivo è garantire che il pezzo in lavorazione venga riscaldato a fondo e prevenire la decarburazione e l'ossidazione.
3. Raffreddamento
L'obiettivo è trasformare l'austenite in diverse microstrutture.
Microstrutture dopo il trattamento termico
Durante il processo di raffreddamento successivo al riscaldamento e al mantenimento a temperatura costante, l'austenite si trasforma in diverse microstrutture a seconda della velocità di raffreddamento. Le diverse microstrutture presentano proprietà differenti.
B. Il concetto base del trattamento termico.
Classificazione basata sui metodi di riscaldamento e raffreddamento, nonché sulla microstruttura e sulle proprietà dell'acciaio.
1. Trattamento termico convenzionale (Trattamento termico complessivo): Tempra, Ricottura, Normalizzazione, Raffreddamento
2. Trattamento termico superficiale: tempra superficiale, tempra superficiale a induzione, tempra superficiale a fiamma, tempra superficiale a contatto elettrico.
3. Trattamento termico chimico: carburazione, nitrurazione, carbonitrurazione.
4. Altri trattamenti termici: trattamento termico in atmosfera controllata, trattamento termico sottovuoto, trattamento termico di deformazione.
C. Temperatura critica degli acciai
La temperatura critica di trasformazione dell'acciaio è un elemento fondamentale per la determinazione dei processi di riscaldamento, mantenimento e raffreddamento durante il trattamento termico. Essa è determinata dal diagramma di fase ferro-carbonio.
Conclusione principale:La temperatura critica di trasformazione effettiva dell'acciaio è sempre inferiore alla temperatura critica di trasformazione teorica. Ciò significa che durante il riscaldamento è necessario un surriscaldamento, mentre durante il raffreddamento è necessario un sottoraffreddamento.
II. Ricottura e normalizzazione dell'acciaio
1. Definizione di ricottura
La ricottura consiste nel riscaldare l'acciaio a una temperatura superiore o inferiore al punto critico Ac₁, mantenerlo a tale temperatura e quindi raffreddarlo lentamente, di solito all'interno del forno, per ottenere una struttura prossima all'equilibrio.
2. Scopo della ricottura
①Regolazione della durezza per la lavorazione: Ottenere una durezza adatta alla lavorazione compresa tra HB170 e 230.
②Riduce le tensioni residue: previene deformazioni o crepe durante i processi successivi.
③ Affina la struttura del grano: migliora la microstruttura.
④ Preparazione per il trattamento termico finale: si ottiene perlite granulare (sferoidizzata) per la successiva tempra e rinvenimento.
3. Ricottura sferoidizzante
Specifiche di processo: la temperatura di riscaldamento è prossima al punto Ac₁.
Scopo: Sferoidizzare la cementite o i carburi presenti nell'acciaio, ottenendo perlite granulare (sferoidizzata).
Campo di applicazione: Utilizzato per acciai con composizione eutettoidica e ipereutettoidica.
4. Ricottura diffusiva (Ricottura omogeneizzante)
Specifiche di processo: La temperatura di riscaldamento è leggermente inferiore alla linea di solvus sul diagramma di fase.
Scopo: Eliminare la segregazione.
①Per basso-acciaio al carbonioCon un contenuto di carbonio inferiore allo 0,25%, la normalizzazione è preferibile alla ricottura come trattamento termico preparatorio.
②Per gli acciai a medio tenore di carbonio con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,50%, come trattamento termico preparatorio si possono utilizzare la ricottura o la normalizzazione.
③Per acciai a medio-alto tenore di carbonio con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,50% e lo 0,75%, si raccomanda la ricottura completa.
④Per l'alta-acciaio al carboniocon contenuto di carbonio superiore allo 0,75%, si utilizza prima la normalizzazione per eliminare la rete Fe₃C, seguita dalla ricottura sferoidizzante.
III. Tempra e rinvenimento dell'acciaio
A. Spegnimento
1. Definizione di tempra: La tempra consiste nel riscaldare l'acciaio a una certa temperatura superiore al punto Ac₃ o Ac₁, mantenerlo a tale temperatura e quindi raffreddarlo a una velocità superiore alla velocità di raffreddamento critica per formare la martensite.
2. Scopo della tempra: L'obiettivo principale è ottenere martensite (o talvolta bainite inferiore) per aumentare la durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio. La tempra è uno dei processi di trattamento termico più importanti per l'acciaio.
3. Determinazione delle temperature di tempra per diversi tipi di acciaio
Acciaio ipoeutettoidico: Ac₃ + 30°C a 50°C
Acciaio eutettoidico e ipereutettoidico: Ac₁ + 30°C a 50°C
Acciaio legato: da 50 °C a 100 °C al di sopra della temperatura critica
4. Caratteristiche di raffreddamento di un mezzo di tempra ideale:
Raffreddamento lento prima che la temperatura raggiunga il "naso": per ridurre sufficientemente lo stress termico.
Elevata capacità di raffreddamento in prossimità della temperatura del "naso": per evitare la formazione di strutture non martensitiche.
Raffreddamento lento in prossimità del punto M₅: per minimizzare le sollecitazioni indotte dalla trasformazione martensitica.
5. Metodi di tempra e loro caratteristiche:
① Tempra semplice: facile da eseguire e adatta a pezzi piccoli e di forma semplice. La microstruttura risultante è martensite (M).
② Doppia tempra: Più complessa e difficile da controllare, utilizzata per pezzi di acciaio ad alto tenore di carbonio di forma complessa e per pezzi di acciaio legato di grandi dimensioni. La microstruttura risultante è martensitica (M).
③ Tempra a rottura: un processo più complesso, utilizzato per pezzi di acciaio legato di grandi dimensioni e di forma complessa. La microstruttura risultante è martensite (M).
④ Tempra isotermica: Utilizzata per pezzi di piccole dimensioni e di forma complessa con requisiti elevati. La microstruttura risultante è bainite inferiore (B).
6. Fattori che influenzano la temprabilità
Il livello di temprabilità dipende dalla stabilità dell'austenite sottoraffreddata nell'acciaio. Maggiore è la stabilità dell'austenite sottoraffreddata, migliore è la temprabilità, e viceversa.
Fattori che influenzano la stabilità dell'austenite superraffreddata:
Posizione della curva a C: se la curva a C si sposta verso destra, la velocità di raffreddamento critica per la tempra diminuisce, migliorando la temprabilità.
Conclusione principale:
Qualsiasi fattore che sposti la curva C verso destra aumenta la temprabilità dell'acciaio.
Fattore principale:
Composizione chimica: Ad eccezione del cobalto (Co), tutti gli elementi di lega disciolti nell'austenite aumentano la temprabilità.
Quanto più il contenuto di carbonio si avvicina alla composizione eutettoide nell'acciaio al carbonio, tanto più la curva C si sposta verso destra e tanto maggiore è la temprabilità.
7. Determinazione e rappresentazione dell'indurimento
① Prova di temprabilità a fine tempra: la temprabilità viene misurata utilizzando il metodo di prova a fine tempra.
②Metodo del diametro critico di tempra: Il diametro critico di tempra (D₀) rappresenta il diametro massimo dell'acciaio che può essere completamente temprato in uno specifico mezzo di tempra.
B. Temperamento
1. Definizione di temperaggio
La tempra è un processo di trattamento termico in cui l'acciaio temprato viene riscaldato nuovamente a una temperatura inferiore al punto A₁, mantenuto a tale temperatura e quindi raffreddato a temperatura ambiente.
2. Scopo della tempra
Ridurre o eliminare le tensioni residue: previene la deformazione o la fessurazione del pezzo.
Ridurre o eliminare l'austenite residua: stabilizza le dimensioni del pezzo.
Elimina la fragilità dell'acciaio temprato: regola la microstruttura e le proprietà per soddisfare i requisiti del pezzo.
Nota importante: l'acciaio deve essere temprato immediatamente dopo la tempra.
3. Processi di tempra
1. Bassa temperatura di tempera
Scopo: Ridurre le tensioni di tempra, migliorare la tenacità del pezzo e ottenere elevata durezza e resistenza all'usura.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Prestazioni: Durezza: HRC 58 ~ 64. Elevata durezza e resistenza all'usura.
Applicazioni: utensili, stampi, cuscinetti, componenti cementati e componenti con superficie temprata.
2. Alta tempra
Scopo: Conseguire un'elevata tenacità unitamente a sufficiente resistenza e durezza.
Temperatura: 500 °C ~ 600 °C.
Prestazioni: Durezza: HRC 25 ~ 35. Buone proprietà meccaniche generali.
Applicazioni: alberi, ingranaggi, bielle, ecc.
Raffinazione termica
Definizione: La tempra seguita da rinvenimento ad alta temperatura è detta affinazione termica, o semplicemente rinvenimento. L'acciaio trattato con questo processo presenta eccellenti prestazioni complessive ed è ampiamente utilizzato.
IV. Trattamento termico superficiale dell'acciaio
A. Tempra superficiale degli acciai
1. Definizione di indurimento superficiale
La tempra superficiale è un processo di trattamento termico progettato per rinforzare lo strato superficiale di un pezzo mediante un rapido riscaldamento che trasforma lo strato superficiale in austenite, seguito da un altrettanto rapido raffreddamento. Questo processo viene eseguito senza alterare la composizione chimica dell'acciaio o la struttura interna del materiale.
2. Materiali utilizzati per l'indurimento superficiale e la struttura post-indurente
Materiali utilizzati per l'indurimento superficiale
Materiali tipici: acciaio al carbonio medio e acciaio legato al carbonio medio.
Pretrattamento: Processo tipico: Tempra. Se le proprietà del nucleo non sono critiche, si può utilizzare la normalizzazione in alternativa.
Struttura post-indurimento
Struttura superficiale: Lo strato superficiale forma tipicamente una struttura indurita come la martensite o la bainite, che garantisce elevata durezza e resistenza all'usura.
Struttura del nucleo: Il nucleo dell'acciaio generalmente conserva la sua struttura originale, come ad esempio lo stato perlitico o temprato, a seconda del processo di pretrattamento e delle proprietà del materiale di base. Ciò garantisce che il nucleo mantenga una buona tenacità e resistenza.
B. Caratteristiche dell'indurimento superficiale a induzione
1. Elevata temperatura di riscaldamento e rapido aumento della temperatura: la tempra superficiale a induzione prevede in genere temperature di riscaldamento elevate e rapide velocità di riscaldamento, consentendo un riscaldamento veloce in breve tempo.
2. Struttura a grana fine di austenite nello strato superficiale: Durante il riscaldamento rapido e il successivo processo di tempra, lo strato superficiale forma grani fini di austenite. Dopo la tempra, la superficie è costituita principalmente da martensite fine, con una durezza tipicamente superiore di 2-3 HRC rispetto alla tempra convenzionale.
3. Buona qualità della superficie: grazie al breve tempo di riscaldamento, la superficie del pezzo è meno soggetta a ossidazione e decarburazione e la deformazione indotta dalla tempra è ridotta al minimo, garantendo una buona qualità della superficie.
4. Elevata resistenza alla fatica: la trasformazione di fase martensitica nello strato superficiale genera una sollecitazione di compressione che aumenta la resistenza alla fatica del pezzo.
5. Elevata efficienza produttiva: la tempra superficiale a induzione è adatta alla produzione di massa e offre un'elevata efficienza operativa.
C. Classificazione del trattamento termico chimico
Carburazione,Carburazione,Carburazione,Cromizzazione,Siliciatura,Siliciatura,Siliciatura,Carbonitrurazione,Borocarburazione
Carburazione D-Gas
La carburazione in atmosfera gassosa è un processo in cui un pezzo viene posto in un forno di carburazione a gas sigillato e riscaldato a una temperatura tale da trasformare l'acciaio in austenite. Successivamente, un agente carburante viene gocciolato nel forno, oppure viene introdotta direttamente un'atmosfera carburante, consentendo agli atomi di carbonio di diffondersi nello strato superficiale del pezzo. Questo processo aumenta il contenuto di carbonio (wc%) sulla superficie del pezzo.
√Agenti carburanti:
• Gas ricchi di carbonio: come il gas di carbone, il gas di petrolio liquefatto (GPL), ecc.
• Liquidi organici: come cherosene, metanolo, benzene, ecc.
√Parametri del processo di carburazione:
•Temperatura di carburazione: 920~950 °C.
•Tempo di carburazione: dipende dalla profondità desiderata dello strato carburato e dalla temperatura di carburazione.
Trattamento termico dopo la carburazione
L'acciaio deve essere sottoposto a trattamento termico dopo la carburazione.
Processo di trattamento termico successivo alla carburazione:
√Tempra + Rinvenimento a bassa temperatura
1. Tempra diretta dopo preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: il pezzo viene preraffreddato dalla temperatura di carburazione fino a poco sopra la temperatura dell'Ar₁ del nucleo e quindi immediatamente temprato, seguito da rinvenimento a bassa temperatura a 160~180 °C.
2. Tempra singola dopo pre-raffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: dopo la cementazione, il pezzo viene raffreddato lentamente a temperatura ambiente, quindi riscaldato per la tempra e il rinvenimento a bassa temperatura.
3. Doppia tempra dopo preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: Dopo la cementazione e il raffreddamento lento, il pezzo viene sottoposto a due fasi di riscaldamento e tempra, seguite da un rinvenimento a bassa temperatura.
V. Trattamento termico chimico degli acciai
1. Definizione di trattamento termico chimico
Il trattamento termico chimico è un processo di trattamento termico in cui un pezzo di acciaio viene immerso in un mezzo attivo specifico, riscaldato e mantenuto a temperatura, consentendo agli atomi attivi presenti nel mezzo di diffondersi nella superficie del pezzo. Ciò modifica la composizione chimica e la microstruttura della superficie del pezzo, alterandone di conseguenza le proprietà.
2. Processo base del trattamento termico chimico
Decomposizione: Durante il riscaldamento, il mezzo attivo si decompone, rilasciando atomi attivi.
Assorbimento: Gli atomi attivi vengono adsorbiti dalla superficie dell'acciaio e si dissolvono nella soluzione solida dell'acciaio.
Diffusione: gli atomi attivi assorbiti e disciolti sulla superficie dell'acciaio migrano verso l'interno.
Tipi di indurimento superficiale a induzione
a. Riscaldamento a induzione ad alta frequenza
Frequenza attuale: 250~300 kHz.
Spessore dello strato indurito: 0,5~2,0 mm.
Applicazioni: Ingranaggi di modulo medio e piccolo e alberi di piccole e medie dimensioni.
b) Riscaldamento a induzione a media frequenza
Frequenza attuale: 2500~8000 kHz.
Spessore dello strato indurito: 2~10 mm.
Applicazioni: Alberi di grandi dimensioni e ingranaggi a modulo medio-grande.
c. Riscaldamento a induzione ad alta frequenza
Frequenza attuale: 50 Hz.
Spessore dello strato indurito: 10~15 mm.
Applicazioni: Pezzi che richiedono uno strato di indurimento molto profondo.
3. Indurimento superficiale a induzione
Principio base dell'indurimento superficiale a induzione
Effetto sulla pelle:
Quando la corrente alternata nella bobina di induzione induce una corrente sulla superficie del pezzo in lavorazione, la maggior parte della corrente indotta si concentra vicino alla superficie, mentre quasi nessuna corrente attraversa l'interno del pezzo. Questo fenomeno è noto come effetto pelle.
Principio dell'indurimento superficiale a induzione:
Sfruttando l'effetto pelle, la superficie del pezzo viene rapidamente riscaldata alla temperatura di austenitizzazione (raggiungendo 800-1000 °C in pochi secondi), mentre l'interno del pezzo rimane pressoché freddo. Il pezzo viene quindi raffreddato mediante spruzzatura d'acqua, ottenendo così l'indurimento superficiale.
4. Fragilità del temperamento
Fragilità da rinvenimento nell'acciaio temprato
La fragilità da rinvenimento si riferisce al fenomeno per cui la tenacità all'urto dell'acciaio temprato diminuisce significativamente quando viene rinvenuto a determinate temperature.
Primo tipo di fragilità da tempra
Intervallo di temperatura: da 250 °C a 350 °C.
Caratteristiche: Se l'acciaio temprato viene rinvenuto entro questo intervallo di temperatura, è molto probabile che si sviluppi questo tipo di fragilità da rinvenimento, che non può essere eliminata.
Soluzione: evitare di rinvenire l'acciaio temprato entro questo intervallo di temperatura.
Il primo tipo di fragilità da rinvenimento è anche noto come fragilità da rinvenimento a bassa temperatura o fragilità da rinvenimento irreversibile.
VI. Tempera
1. La tempra è un processo di trattamento termico finale che segue la tempra.
Perché gli acciai temprati necessitano di rinvenimento?
Microstruttura dopo tempra: Dopo la tempra, la microstruttura dell'acciaio è tipicamente costituita da martensite e austenite residua. Entrambe sono fasi metastabili e si trasformano in determinate condizioni.
Proprietà della martensite: La martensite è caratterizzata da elevata durezza ma anche da elevata fragilità (specialmente nella martensite aghiforme ad alto contenuto di carbonio), che non soddisfa i requisiti prestazionali per molte applicazioni.
Caratteristiche della trasformazione martensitica: La trasformazione in martensite avviene molto rapidamente. Dopo la tempra, il pezzo presenta tensioni interne residue che possono causare deformazioni o cricche.
Conclusione: Il pezzo non può essere utilizzato direttamente dopo la tempra! È necessario un trattamento di rinvenimento per ridurre le tensioni interne e migliorare la tenacità del pezzo, rendendolo idoneo all'uso.
2. Differenza tra temprabilità e capacità di indurimento:
Induribilità:
La temprabilità si riferisce alla capacità dell'acciaio di raggiungere un determinato grado di indurimento (lo spessore dello strato indurito) dopo la tempra. Dipende dalla composizione e dalla struttura dell'acciaio, in particolare dagli elementi di lega e dal tipo di acciaio. La temprabilità è una misura di quanto bene l'acciaio riesca a indurirsi in tutto il suo spessore durante il processo di tempra.
Durezza (capacità di indurimento):
La durezza, o capacità di indurimento, si riferisce alla massima durezza che può essere raggiunta nell'acciaio dopo la tempra. Essa è fortemente influenzata dal contenuto di carbonio dell'acciaio. Un contenuto di carbonio più elevato generalmente porta a una maggiore durezza potenziale, ma questa può essere limitata dagli elementi di lega dell'acciaio e dall'efficacia del processo di tempra.
3. Temprabilità dell'acciaio
√Concetto di indurimento
La temprabilità si riferisce alla capacità dell'acciaio di raggiungere un certo grado di indurimento martensitico dopo la tempra dalla temperatura di austenitizzazione. In termini più semplici, è la capacità dell'acciaio di formare martensite durante la tempra.
Misurazione dell'indurimento
Il grado di temprabilità è indicato dalla profondità dello strato indurito ottenuto in determinate condizioni dopo la tempra.
Profondità dello strato indurito: questa è la profondità dalla superficie del pezzo alla regione in cui la struttura è per metà martensitica.
Mezzi di tempra comuni:
•Acqua
Caratteristiche: Economico con elevata capacità di raffreddamento, ma presenta un'alta velocità di raffreddamento in prossimità del punto di ebollizione, che può portare a un raffreddamento eccessivo.
Applicazione: Tipicamente utilizzato per acciai al carbonio.
Acqua salata: una soluzione di sale o alcali in acqua, che ha una maggiore capacità di raffreddamento alle alte temperature rispetto all'acqua, rendendola adatta per gli acciai al carbonio.
•Olio
Caratteristiche: Offre una velocità di raffreddamento più lenta a basse temperature (vicine al punto di ebollizione), riducendo efficacemente la tendenza alla deformazione e alla formazione di crepe, ma ha una minore capacità di raffreddamento ad alte temperature.
Applicazione: Adatto per acciai legati.
Tipologie: include olio per tempra, olio per macchine e gasolio.
Tempo di riscaldamento
Il tempo di riscaldamento comprende sia la velocità di riscaldamento (tempo necessario per raggiungere la temperatura desiderata) sia il tempo di mantenimento (tempo in cui la temperatura viene mantenuta al valore target).
Principi per la determinazione del tempo di riscaldamento: Assicurare una distribuzione uniforme della temperatura su tutto il pezzo, sia all'interno che all'esterno.
Assicurarsi che l'austenitizzazione sia completa e che l'austenite formatasi sia uniforme e fine.
Criteri per la determinazione del tempo di riscaldamento: solitamente stimato utilizzando formule empiriche o determinato tramite sperimentazione.
Mezzo di spegnimento
Due aspetti chiave:
a. Velocità di raffreddamento: una velocità di raffreddamento più elevata favorisce la formazione di martensite.
b. Tensioni residue: una velocità di raffreddamento più elevata aumenta le tensioni residue, che possono portare a una maggiore tendenza alla deformazione e alla formazione di crepe nel pezzo.
VII. Normalizzazione
1. Definizione di normalizzazione
La normalizzazione è un processo di trattamento termico in cui l'acciaio viene riscaldato a una temperatura compresa tra 30 °C e 50 °C al di sopra della temperatura Ac3, mantenuto a tale temperatura e quindi raffreddato ad aria per ottenere una microstruttura prossima allo stato di equilibrio. Rispetto alla ricottura, la normalizzazione presenta una velocità di raffreddamento più rapida, con conseguente formazione di una struttura perlitica (P) più fine e maggiore resistenza e durezza.
2. Scopo della normalizzazione
Lo scopo della normalizzazione è simile a quello della ricottura.
3. Applicazioni della normalizzazione
•Eliminare la cementite secondaria reticolata.
•Servire come trattamento termico finale per componenti con requisiti inferiori.
• Agisce come trattamento termico preparatorio per acciai strutturali a basso e medio tenore di carbonio al fine di migliorarne la lavorabilità.
4. Tipi di ricottura
Primo tipo di ricottura:
Scopo e funzione: L'obiettivo non è indurre una trasformazione di fase, bensì far passare l'acciaio da uno stato sbilanciato a uno stato bilanciato.
Tipologie:
•Ricottura per diffusione: ha lo scopo di omogeneizzare la composizione eliminando la segregazione.
•Ricristallizzazione mediante ricottura: ripristina la duttilità eliminando gli effetti dell'incrudimento.
•Ricottura di distensione: riduce le tensioni interne senza alterare la microstruttura.
Secondo tipo di ricottura:
Scopo e funzione: mira a modificare la microstruttura e le proprietà, ottenendo una microstruttura dominata dalla perlite. Questo tipo di trattamento garantisce inoltre che la distribuzione e la morfologia di perlite, ferrite e carburi soddisfino requisiti specifici.
Tipologie:
•Ricottura completa: Riscalda l'acciaio al di sopra della temperatura Ac3 e poi lo raffredda lentamente per produrre una struttura perlitica uniforme.
•Ricottura incompleta: Riscalda l'acciaio tra le temperature Ac1 e Ac3 per trasformare parzialmente la struttura.
• Ricottura isotermica: Riscalda l'acciaio a una temperatura superiore ad Ac3, seguito da un rapido raffreddamento a una temperatura isotermica e dal mantenimento di tale temperatura per ottenere la struttura desiderata.
• Ricottura sferoidizzante: produce una struttura di carburo sferoidale, migliorando la lavorabilità e la tenacità.
Ⅷ.1. Definizione di trattamento termico
Il trattamento termico si riferisce a un processo in cui un metallo viene riscaldato, mantenuto a una temperatura specifica e poi raffreddato allo stato solido per modificarne la struttura interna e la microstruttura, ottenendo così le proprietà desiderate.
2. Caratteristiche del trattamento termico
Il trattamento termico non modifica la forma del pezzo; piuttosto, altera la struttura interna e la microstruttura dell'acciaio, il che a sua volta ne modifica le proprietà.
3. Scopo del trattamento termico
Lo scopo del trattamento termico è quello di migliorare le proprietà meccaniche o di lavorazione dell'acciaio (o dei pezzi), sfruttare appieno il potenziale dell'acciaio, migliorare la qualità del pezzo e prolungarne la durata.
4. Conclusione principale
La possibilità di migliorare le proprietà di un materiale tramite trattamento termico dipende in modo cruciale dalla presenza di modifiche alla sua microstruttura e alla sua struttura durante i processi di riscaldamento e raffreddamento.
Data di pubblicazione: 19 agosto 2024