Ⅰ.Il concetto di base del trattamento termico.
A. Il concetto di base del trattamento termico.
Gli elementi di base e le funzioni ditrattamento termico:
1.Riscaldamento
Lo scopo è quello di ottenere una struttura austenitica uniforme e fine.
2.Tenere
L'obiettivo è garantire che il pezzo in lavorazione sia completamente riscaldato 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, dopo il riscaldamento e il mantenimento, l'austenite si trasforma in diverse microstrutture a seconda della velocità di raffreddamento. Microstrutture diverse presentano proprietà diverse.
B. Il concetto di 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): rinvenimento, ricottura, normalizzazione, tempra
2. Trattamento termico superficiale: tempra superficiale, tempra superficiale con riscaldamento a induzione, tempra superficiale con riscaldamento a fiamma, tempra superficiale con riscaldamento a contatto elettrico.
3. Trattamento termico chimico: cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione.
4.Altri trattamenti termici: trattamento termico in atmosfera controllata, trattamento termico sotto vuoto, trattamento termico di deformazione.
C. Temperatura critica degli acciai
La temperatura critica di trasformazione dell'acciaio è una base importante per determinare i processi di riscaldamento, mantenimento e raffreddamento durante il trattamento termico. È determinata dal diagramma di stato ferro-carbonio.
Conclusione chiave: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 e 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, mantenendolo a tale temperatura e poi raffreddandolo lentamente, solitamente all'interno del forno, per ottenere una struttura vicina all'equilibrio.
2. Scopo della ricottura
①Regolazione della durezza per la lavorazione: raggiungimento di una durezza lavorabile nell'intervallo HB170~230.
2. Allevia lo stress residuo: previene deformazioni o crepe durante i processi successivi.
3. Migliora la struttura del grano: migliora la microstruttura.
④Preparazione per il trattamento termico finale: si ottiene perlite granulare (sferoidale) per la successiva tempra e rinvenimento.
3. Ricottura sferoidizzante
Specifiche del processo: la temperatura di riscaldamento è prossima al punto Ac₁.
Scopo: sferoidizzare la cementite o i carburi nell'acciaio, ottenendo perlite granulare (sferoidizzata).
Intervallo applicabile: utilizzato per acciai con composizioni eutettoidi e ipereutettoidi.
4. Ricottura per diffusione (ricottura di omogeneizzazione)
Specifiche del processo: la temperatura di riscaldamento è leggermente al di sotto della linea solvus sul diagramma di fase.
Scopo: eliminare la segregazione.
①Per bassoacciaio al carboniocon un contenuto di carbonio inferiore allo 0,25%, la normalizzazione è preferita alla ricottura come trattamento termico preparatorio.
②Per l'acciaio a medio tenore di carbonio con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,25% e lo 0,50%, è possibile utilizzare come trattamento termico preparatorio sia la ricottura che la normalizzazione.
3. Per l'acciaio a medio-alto tenore di carbonio con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,50% e lo 0,75%, si consiglia la ricottura completa.
④Per altaacciaio al carboniocon un contenuto di carbonio superiore allo 0,75%, si procede prima alla normalizzazione per eliminare la rete Fe₃C, seguita dalla ricottura di sferoidizzazione.
III. Tempra e rinvenimento dell'acciaio
A. Tempra
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 della temperatura del "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 vicino al punto M₅: per ridurre al minimo lo stress indotto dalla trasformazione martensitica.
5. Metodi di tempra e loro caratteristiche:
① Tempra semplice: facile da usare 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 in acciaio ad alto tenore di carbonio di forma complessa e pezzi in acciaio legato di grandi dimensioni. La microstruttura risultante è la martensite (M).
3. Tempra a rottura: un processo più complesso, utilizzato per pezzi in lega di acciaio di grandi dimensioni e di forma complessa. La microstruttura risultante è la martensite (M).
④Tempra isotermica: utilizzata per pezzi piccoli e di forma complessa con requisiti elevati. La microstruttura risultante è bainitica 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 sottoraffreddata:
Posizione della curva C: se la curva C si sposta verso destra, la velocità di raffreddamento critica per la tempra diminuisce, migliorando la temprabilità.
Conclusione chiave:
Qualsiasi fattore che sposta 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 eutettoidica dell'acciaio al carbonio, tanto più la curva C si sposta verso destra e tanto maggiore è la temprabilità.
7.Determinazione e rappresentazione della temprabilità
①Test di temprabilità a fine tempra: la temprabilità viene misurata utilizzando il metodo di prova a fine tempra.
2 Metodo del diametro di tempra critico: il diametro di tempra critico (D₀) rappresenta il diametro massimo dell'acciaio che può essere completamente temprato in un mezzo di tempra specifico.
B. Tempra
1. Definizione di rinvenimento
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 sollecitazioni residue: previene la deformazione o la rottura del pezzo.
Ridurre o eliminare l'austenite residua: stabilizza le dimensioni del pezzo in lavorazione.
Elimina la fragilità dell'acciaio temprato: adatta la microstruttura e le proprietà per soddisfare i requisiti del pezzo.
Nota importante: l'acciaio deve essere temprato subito dopo la tempra.
3. Processi di tempra
1.Basso rinvenimento
Scopo: ridurre lo stress da 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, parti cementate e componenti con superficie temprata.
2. Alta tempra
Scopo: ottenere un'elevata tenacità unitamente a sufficiente resistenza e durezza.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Prestazioni: Durezza: HRC 25 ~ 35. Buone proprietà meccaniche complessive.
Applicazioni: alberi, ingranaggi, bielle, ecc.
Raffinazione termica
Definizione: La tempra seguita da rinvenimento ad alta temperatura è detta raffinazione termica, o semplicemente rinvenimento. L'acciaio trattato con questo processo ha 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 rafforzare lo strato superficiale di un pezzo riscaldandolo rapidamente per trasformarlo in austenite e raffreddandolo rapidamente. 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-indurimento
Materiali utilizzati per l'indurimento superficiale
Materiali tipici: acciaio al carbonio medio e acciaio legato al carbonio medio.
Pretrattamento: Processo tipico: Rinvenimento. Se le proprietà del nucleo non sono critiche, è possibile utilizzare la normalizzazione.
Struttura post-indurimento
Struttura superficiale: lo strato superficiale forma in genere una struttura indurita come martensite o bainite, che conferisce elevata durezza e resistenza all'usura.
Struttura del nucleo: il nucleo dell'acciaio generalmente mantiene la sua struttura originale, come perlite o stato 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 della tempra superficiale ad induzione
1. Elevata temperatura di riscaldamento e rapido aumento della temperatura: la tempra superficiale a induzione in genere prevede elevate temperature di riscaldamento e rapide velocità di riscaldamento, consentendo un riscaldamento rapido in breve tempo.
2. Struttura a grana fine di austenite nello strato superficiale: durante il rapido riscaldamento 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 2-3 HRC superiore a quella della 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 sollecitazioni compressive, che aumentano 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
Cementazione, Cementazione, Cementazione, Cromizzazione, Siliconizzazione, Siliconizzazione, Siliconizzazione, Carbonitrurazione, Borocarburazione
D. Carburazione a gas
La cementazione a gas è un processo in cui un pezzo viene inserito in un forno di cementazione a gas sigillato e riscaldato a una temperatura che trasforma l'acciaio in austenite. Successivamente, un agente cementante viene iniettato nel forno a goccia, oppure viene introdotta direttamente un'atmosfera cementante, 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 gas di carbone, gas di petrolio liquefatto (GPL), ecc.
• Liquidi organici: come cherosene, metanolo, benzene, ecc.
√Parametri del processo di cementazione:
•Temperatura di cementazione: 920~950°C.
•Tempo di cementazione: dipende dalla profondità desiderata dello strato cementato e dalla temperatura di cementazione.
E. Trattamento termico dopo la cementazione
Dopo la cementazione, l'acciaio deve essere sottoposto a trattamento termico.
Processo di trattamento termico dopo la cementazione:
√Tempra + Rinvenimento a bassa temperatura
1. Tempra diretta dopo preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: il pezzo in lavorazione viene preraffreddato dalla temperatura di cementazione a una temperatura appena superiore a quella Ar₁ del nucleo e quindi temprato immediatamente, seguito da rinvenimento a bassa temperatura a 160~180°C.
2. Tempra singola dopo preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: dopo la cementazione, il pezzo viene raffreddato lentamente a temperatura ambiente, quindi riscaldato nuovamente per la tempra e il rinvenimento a bassa temperatura.
3. Doppia tempra dopo il preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: dopo la cementazione e il raffreddamento lento, il pezzo viene sottoposto a due fasi di riscaldamento e tempra, seguite dal 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 in acciaio viene immerso in uno specifico mezzo attivo, riscaldato e mantenuto a temperatura, consentendo agli atomi attivi presenti nel mezzo di diffondersi sulla superficie del pezzo. Ciò modifica la composizione chimica e la microstruttura della superficie del pezzo, alterandone così le proprietà.
2. Processo di 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 tempra superficiale a induzione
a.Riscaldamento a induzione ad alta frequenza
Frequenza attuale: 250~300 kHz.
Profondità 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.
Profondità dello strato indurito: 2~10 mm.
Applicazioni: alberi più grandi e ingranaggi di modulo da grande a medio.
c.Riscaldamento a induzione a frequenza di rete
Frequenza attuale: 50 Hz.
Profondità dello strato indurito: 10~15 mm.
Applicazioni: pezzi che richiedono uno strato temprato molto profondo.
3. Tempra superficiale ad induzione
Principio di base della tempra superficiale a induzione
Effetto pelle:
Quando la corrente alternata nella bobina di induzione induce una corrente sulla superficie del pezzo, 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 della tempra superficiale a induzione:
Sfruttando l'effetto pelle, la superficie del pezzo viene rapidamente riscaldata fino alla temperatura di austenitizzazione (raggiungendo 800~1000 °C in pochi secondi), mentre l'interno del pezzo rimane pressoché inalterato. Il pezzo viene quindi raffreddato mediante spruzzatura d'acqua, ottenendo l'indurimento superficiale.
4. Fragilità del temperamento
Rinvenimento della fragilità nell'acciaio temprato
La fragilità da rinvenimento si riferisce al fenomeno per cui la tenacità all'impatto dell'acciaio temprato diminuisce significativamente quando viene rinvenuto a determinate temperature.
Primo tipo di fragilità da rinvenimento
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 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.Tempra
1. La tempra è un processo di trattamento termico finale che segue la tempra.
Perché gli acciai temprati necessitano di rinvenimento?
Microstruttura dopo la 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 (soprattutto nella martensite aghiforme ad alto tenore 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 portare a deformazioni o cricche.
Conclusione: il pezzo non può essere utilizzato direttamente dopo la tempra! Il rinvenimento è necessario per ridurre le tensioni interne e migliorare la tenacità del pezzo, rendendolo idoneo all'uso.
2. Differenza tra temprabilità e capacità di tempra:
Temprabilità:
La temprabilità si riferisce alla capacità dell'acciaio di raggiungere una certa profondità di tempra (la profondità dello strato temprato) 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 può temprarsi in tutto il suo spessore durante il processo di tempra.
Durezza (capacità di tempra):
La durezza, o capacità di tempra, si riferisce alla durezza massima che può essere raggiunta nell'acciaio dopo la tempra. È largamente influenzata dal contenuto di carbonio dell'acciaio. Un contenuto di carbonio più elevato comporta generalmente 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 temprabilità
La temprabilità si riferisce alla capacità dell'acciaio di raggiungere una certa profondità di tempra martensitica dopo la tempra a partire dalla temperatura di austenitizzazione. In termini più semplici, è la capacità dell'acciaio di formare martensite durante la tempra.
Misurazione della temprabilità
L'entità della temprabilità è indicata dalla profondità dello strato indurito ottenuto in condizioni specificate dopo la tempra.
Profondità dello strato indurito: è la profondità dalla superficie del pezzo in lavorazione alla regione in cui la struttura è per metà martensite.
Mezzi di tempra comuni:
•Acqua
Caratteristiche: economico con elevata capacità di raffreddamento, ma con un'elevata velocità di raffreddamento in prossimità del punto di ebollizione, che può portare a un raffreddamento eccessivo.
Applicazione: solitamente utilizzato per acciai al carbonio.
Acqua salata: soluzione di sale o alcali in acqua, che ha una maggiore capacità di raffreddamento ad alte temperature rispetto all'acqua, rendendola adatta agli acciai al carbonio.
•Olio
Caratteristiche: Garantisce una velocità di raffreddamento più lenta a basse temperature (vicine al punto di ebollizione), il che riduce 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.
Tipi: include olio di tempra, olio per macchine e gasolio.
Tempo di riscaldamento
Il tempo di riscaldamento è costituito sia dalla velocità di riscaldamento (tempo impiegato per raggiungere la temperatura desiderata) sia dal tempo di mantenimento (tempo mantenuto alla temperatura desiderata).
Principi per la determinazione del tempo di riscaldamento: garantire 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 formata sia uniforme e fine.
Base per la determinazione del tempo di riscaldamento: solitamente stimato utilizzando formule empiriche o determinato tramite sperimentazione.
Mezzi di tempra
Due aspetti chiave:
a. Velocità di raffreddamento: una velocità di raffreddamento più elevata favorisce la formazione di martensite.
b. Sollecitazioni residue: una velocità di raffreddamento più elevata aumenta le sollecitazioni 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 e 50 °C superiore alla 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, che si traduce in una struttura perlitica (P) più fine e in una 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.
•Serve come trattamento termico finale per parti con requisiti inferiori.
• Agisce come trattamento termico preparatorio per acciai strutturali a basso e medio tenore di carbonio per migliorarne la lavorabilità.
4. Tipi di ricottura
Primo tipo di ricottura:
Scopo e funzione: l'obiettivo non è indurre una trasformazione di fase, ma far passare l'acciaio da uno stato sbilanciato a uno stato bilanciato.
Tipi:
• Ricottura per diffusione: mira a omogeneizzare la composizione eliminando la segregazione.
• Ricottura di ricristallizzazione: ripristina la duttilità eliminando gli effetti dell'incrudimento.
•Ricottura di distensione: riduce le sollecitazioni interne senza alterare la microstruttura.
Secondo tipo di ricottura:
Scopo e funzione: mira a modificare la microstruttura e le proprietà, ottenendo una microstruttura a predominanza perlitica. Questa tipologia garantisce inoltre che la distribuzione e la morfologia di perlite, ferrite e carburi soddisfino requisiti specifici.
Tipi:
• Ricottura completa: riscalda l'acciaio oltre la 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 mantenimento per ottenere la struttura desiderata.
• Ricottura sferoidale: produce una struttura di carburo sferoidale, migliorando la lavorabilità e la tenacità.
Ⅷ.1.Definizione di trattamento termico
Il trattamento termico è un processo in cui il metallo viene riscaldato, mantenuto a una temperatura specifica e poi raffreddato mentre è 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 in lavorazione; al contrario, altera la struttura interna e la microstruttura dell'acciaio, 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 lavorati), sfruttare appieno il potenziale dell'acciaio, migliorare la qualità del pezzo lavorato e prolungarne la durata.
4. Conclusione chiave
Il miglioramento delle proprietà di un materiale tramite trattamento termico dipende in modo determinante dalla presenza o meno di cambiamenti nella sua microstruttura e struttura durante il processo di riscaldamento e raffreddamento.
Data di pubblicazione: 19-08-2024