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Introduzione ai trattamenti termici degli acciai: Temperature e significati delle nomenclature

Se fai fatica a comprendere il contenuto iniziale di questa pagina, sappi che il succo più importante consiste nel capire cosa sono le temperature Ac1 e Ac3 di cui sentirai parlare nel paragrafo dedicato ai vari trattamenti termici degli acciai.

 

Diagramma Ferro Carbonio

Il Ferro allo stato puro in natura non esiste. Allo stato solido si presenta nelle tre seguenti forme allotropiche:

Ferro α: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.86 Å, stabile fino a 912 °C.

Ferro γ: struttura cristallina cubica a facce centrate (CFC o fcc) con costante di cella 3.65 Å, stabile tra 912 °C e 1394 °C.

Ferro δ: struttura cristallina cubica a corpo centrato (CCC o bcc) con costante di cella 2.93 Å, stabile tra 1394 °C e 1536 °C (temperatura di fusione).

Nel diagramma le fasi presenti sono quindi le seguenti:

Fase α: Ferrite. È la soluzione interstiziale formata da piccole quantità di carbonio nel reticolo bcc del ferro α. La presenza di atomi di carbonio nel reticolo bcc del ferro α produce delle notevoli distorsioni, per questo la solubilità del carbonio nel ferro α è molto limitata (come si evince dal diagramma) e puo' raggiungere un valore massimo dello 0.02% (a 727 °C).

Fase γ: Austenite. È la soluzione solida interstiziale del carbonio nel ferro γ (fcc). La struttura cristallina del ferro γ, favorisce una maggiore solubilità del carbonio, dal diagramma si nota infatti un campo di stabilità dell'austenite decisamente più ampio.

Fase δ: È la soluzione interstiziale del carbonio nel ferro δ (bcc). Valgono per questa fase considerazioni analoghe a quelle fatte sulla ferrite α. La maggiore costante di cella consente tuttavia un lieve aumento della solubilità del carbonio.

Fase Fe3C: Cementite.

 

Curve di Bain

Le curve di Bain rappresentano le strutture che conseguono con ogni tipo di raffreddamento dell'Austenite. Sono fondamentali in quanto al crescere della velocità di raffreddamento dell'acciaio si ottengono strutture non previste dal diagramma Ferro Carbonio che abbiamo visto sopra. Vorrei fare una breve introduzione, illustrando le temperature fondamentali da conoscere per interpretare sia le curve di Bain, sia il Diagramma Ferro Carbonio, nel prossimo paragrafo.

 

Punti critici

Velocità di raffreddamento o riscaldamento molto lente

A1 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, l'Austenite divenuta eutettoidica si trasforma in Perlite. Viceversa durante il riscaldamento è la temperatura alla quale la Perlite si trasforma in Austenite Eutettoidica. Il valore è di 723°C.

A3 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, l'Austenite di un acciaio Ipoeutettoide inizia ad emettere cristalli di Ferrite α. Viceversa può essere considerata (ovviamente) la temperatura alla quale durante il riscaldamento la lega di acciaio ipoeutettoide termina la trasformazione in Austenite. Il suo valore è compreso tra i 723°C ed i 911°C.

Acm = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, l'Austenite di un acciaio ipereutettoide inizia ad emettere cristalli di Cementite secondaria. Viceversa durante il riscaldamento è la temperatura alla quale un acciaio ipereutettoide termina la trasformazione in Austenite. Temperatura superiore ai 723°C ed inferiore ai 1300°C circa (attenzione al "circa").

Velocità di raffreddamento o riscaldamento elevate

Tanto più è rapida la variazione di temperatura e tanto più ritardate saranno le trasformazioni delle leghe Ferro Carbonio. Per tale ragione gli studiosi di Metallurgia hanno preferito attribuire diversi simboli ai punti critici sopra introdotti.

Riscaldamento

Non cambiano tanto le definizioni quanto il valore stesso delle temperature alle quali si verificano le trasformazioni che vi abbiamo indicato.

Ac1 = temperatura alla quale, durante un riscaldamento veloce, la Perlite si trasforma in Austenite Eutettoidica.

Ac3 = temperatura alla quale, durante un riscaldamento veloce, la lega di acciaio ipoeutettoide termina la trasformazione in Austenite. Temperatura detta di Austenizzazione.

ACcm = temperatura alla quale, durante un riscaldamento veloce, un acciaio ipereutettoide termina la trasformazione in Austenite.

Raffreddamento

Ar1 = temperatura alla quale, durante un raffreddamento veloce, l'Austenite divenuta eutettoidica si trasforma in Perlite.

Ar3 = temperatura alla quale, durante un raffreddamento veloce, l'Austenite di un acciaio Ipoeutettoide inizia ad emettere cristalli di Ferrite α.

ARcm = temperatura alla quale, durante un raffreddamento veloce, l'Austenite di un acciaio ipereutettoide inizia ad emettere cristalli di Cementite secondaria.

Inoltre sono fondamentali anche i seguenti punti

Ms = è la temperatura alla quale durante il raffreddamento l'Austenite rimasta inizia a trasformarsi in Martensite.

Mf = è la temperatura alla quale la formazione della Martensite cessa. Per alcuni acciai la temperatura Mf è inferiore alla temperatura ambiente.

Note

Ricordiamo che una lega Eutettica la si ha quando due metalli sono perfettamente miscibili allo stato liquido ma non a quello solido. Tutte le temperature elencate e non, variano in base al tipo di acciaio ma non solo! Spesso la difficoltà nel reperire questi dati sta nel fatto che si tratta di valori ottenuti per vie sperimentali eseguite su una moltitudine di provini. I dati più esatti al riguardo li può senz'altro offrire, tramite apposite tabelle e cataloghi, il fornitore di materiali che contatterete. Con velocità di raffreddamento molto basse Ar3 e Ar1 coincidono rispettivamente con A3 e A1.

 

Ricottura

Con la denominazione generica di ricottura si fa riferimento a quei trattamenti termici che comprendono un riscaldamento ad una temperatura vicina ad Ac3 per un determinato tempo a cui fa seguito un raffreddamento piuttosto lento che da luogo alle strutture previste dal diagramma Ferro-Carbonio. I trattamenti termici di Ricottura si distinguono nelle seguenti tipologie: Ricottura completa; Ricottura di omogeneizzazione; Ricottura di Globulizzazione; Ricottura di Ricristallizzazione; Ricottura isotermica; Ricottura di Normalizzazione. In queste pagine però parleremo solo dei trattamenti termici prettamente inerenti il campo motoristico.

 

Ricottura di Normalizzazione (o Normalizzazione)

Trattamento termico effettuato nel caso si desideri rendere omogenea una struttura quale ad esempio: cristalli ingrossati per surriscaldamento; strutture fibrose; tutti i pezzi meccanici ottenuti a caldo.

Fasi

Riscaldamento fino ad una temperatura di 40-80°C sopra ad Ac3 per gli acciai ipoeutettoidi oppure fino ad Ac1 (più raramente Acm) per gli acciai ipereutettoidi.

Permanenza a tale temperatura per un tempo proporzionale alle dimensioni dei pezzi e sino a che si realizza la completa austenizzazione dell'acciaio.

Raffreddamento di media velocità, all'aria, ma più lento della "velocità critica inferiore".

La velocità critica inferiore si indica con Vc.i. ed è la velocità alla quale Ar3 e Ar1 (vedi paragrafo sopra sui punti critici) si sovrappongono. Quando si raggiunge la velocità critica inferiore cessa la formazione della ferrite.

 

Tempra

In realtà non vi è un unico trattamento termico di tempra. Ne esistono diverse tipologie: tempra diretta; tempra scalare martensitica; tempra scalare bainitica; tempra con isteresi; tempra incompleta; tempra superficiale; tempra superficiale a induzione; tempra superficiale alla fiamma. Quello che sostanzialmente accomuna tutti i trattamenti termici di tempra è quanto segue. Lo scopo è quello di ottenere una struttura martensitica che conferisce maggior durezza, maggior carico di rottura e carico al limite di elasticità; maggior resistenza all'usura; un'elevata resistenza alle sollecitazioni di fatica. Tuttavia esistono anche degli svantaggi come la diminuzione della resilienza e dell'allungamento percentuale a rottura nonché la presenza di maggiori tensioni interne dei pezzi o addirittura: la distorsione di essi.

Fasi

Riscaldamento a temperatura superiore ad Ac3 (acciai ipoeutettoidi) o superiore ad Ac1 (acciai ipereutettoidi).

Permanenza alla suddetta temperatura per un tempo sufficiente per ottenere l'equilibrio strutturale delle zone interessate: ovvero l'austenizzazione.

Raffreddamento con una velocità superiore alla velocità critica di tempra fino ad una temperatura prossima ad Ms (vedi temperatura spiegate nel paragrafo dei punti critici).

Le successive fasi di raffreddamento sono differenti a seconda del tipo di tempra che si desidera ottenere e quindi degli scopi per i quali i trattamenti vengono effettuati.

 

Rinvenimento

Si tratta di un trattamento termico che permette al pezzo trattato di acquisire un'elevata resistenza a trazione e, al tempo stesso, buone capacità di allungamento e tenacità. Si riscontra inoltre una diminuzione di fragilità.

Fasi

Riscaldamento fino ad una temperatura inferiore ad Ac1 e pari a circa 100-200°C. A queste temperature la struttura martensitica ottenuta con la tempra non cambia tuttavia si riduce la durezza di tale struttura. Tale calo di durezza offre una notevole riduzione delle tensioni interne aumentando la resilienza.

In alternativa riscaldamento fino ad una temperatura inferiore ad Ac1 e pari a circa 450-650°C. A queste temperature la struttura martensitica ottenuta con la tempra diventa sorbite e ciò cambia notevolmente tutte le proprietà dell'acciaio nel quale diminuisce notevolmente la resistenza in cambio di allungamento e tenacità ancora maggiori rispetto al primo tipo di riscaldamento.

Permanenza alla suddetta temperatura dalle 2 alle 10 ore.

Raffreddamento veloce (in acqua oppure olio) per gli acciai soggetti alla fragilità al rinvenimento.

Raffraddamento (in aria) a qualsiasi velocità per gli acciai non soggetti alla fragilità al rinvenimento.

 

Bonifica

Una Bonifica può essere definita una tempra seguita da rinvenimento a temperatura relativamente alta. Quando si esegue il T.T. di tempra si rischia che l'acciaio divenuto martensitico rimanga troppo a lungo sotto tensione e si posano quindi formare delle cricche o distorsioni. A tale scopo si esegue il rinvenimento. Il processo di tempra seguito da rinvenimento prende il nome di T.T. bonifica.

Fasi

Riscaldamento alla temperatura di tempra e permanenza fino alla completa formazione della struttura austenitica.

Raffreddamento sino alla temperatura ambiente con velocità superiore a quella critica.

Successivo e immediato riscaldamento sino ad una temperatura inferiore ad Ac1 (450-700°C).

Permanenza a tale temperatura fino alla trasformazione della martensite in sorbite.

Raffreddamento rapido nel caso l'acciaio sia suscettibile alla "fragilità al rinvenimento", in alternativa non è necessario un rapido raffreddamento.

 

Cementazione

Le cementazioni sono quei T.T. che modificano più o meno profondamente la composizione di una lega ferrosa, costituente un pezzo, per diffusione di un elemento a partire dalla superficie. Esistono diverse tipologie di cementazione: carbocementazione, carbocementazione con cementi solidi, carbocementazione con cementi gassosi, carbocementazione con cementi liquidi.

Fasi carbocementazione

Riscaldamento dei pezzi di acciaio dolce ad una temperatura di 900-930°C in un mezzo contenente carbonio allo stato atomico.

Permanenza a tale temperatura e ambiente per un tempo proporzionale allo spessore dello strato superficiale che si desidera carbocementare.

Successivo T.T. di tempra per indurire solo lo strato superficiale.

Rinvenimento a 130-150°C per attenuare le tensione sorte nello strato superficiale martensitico dei pezzi.

 

Nitrurazione

La nitrurazione è un T.T. durante il quale la zona periferica del pezzo viene arricchita d'azoto. Essa conferisce al pezzo d'acciaio trattato uno strato superficiale fine molto duro, resistente all'usura ed alla corrosione. Tale trattamento non è seguito da nessun altro trattamento e può essere eseguito solo su acciai con una determinata composizione. Il trattamento termico di Nitrurazione viene eseguito ad esempio sugli alberi a gomito (realizzati per l'appunto in acciaio da nitrurazione) solo dopo che il pezzo è stato rettificato e rispetta le dovute tolleranze. Si evitano indesiderate deformazioni disponendo gli alberi a gomito nei forni in modo ordinato evitando accatastamenti di più pezzi e posizioni sfavorevoli.

Fasi

Riscaldamento a 560-590°C dei pezzi di acciaio da trattare in forni contenenti azoto allo stato atomico.

L'assorbimento superficiale di questo elemento provoca la formazione di azoturi o nitruri di ferro che conferiscono grande durezza.

 

Carbonitrurazione

La carbonitrurazione ha lo scopo di aumentare notevolmente la durezza superficiale del pezzo trattato, nonché la resistenza all'usura e la resistenza alla fatica.

Fasi

Riscaldamento dei pezzi di acciaio (a bassa percentuale di carbonio) alla temperatura di 700-800°C in forni contenenti carbonio e azoto allo stato atomico.

Permanenza in tali forni per un tempo proporzionale (alcune ore) allo spessore cementato che si desidera ottenere.

Raffreddamento veloce che produce la tempra dello strato carbonitrurato.

 

Sinterizzazione

La sinterizzazione è un T.T. che consiste nel riscaldamento di pezzi ottenuti per pressatura al fine di migliorare la coesione delle particelle per diffusione e ricristallizzazione. Migliorano così le proprietà meccaniche dei pezzi.

 

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