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Principali metodi di trattamento termico per l'acciaio al carbonio: obiettivi, procedura ed efficacia
Ricottura: recupero della duttilità e modifica della microstruttura dell'acciaio al carbonio deformata a freddo
La lavorazione a freddo intensa dell'acciaio può portare a un eccessivo indurimento dell'acciaio, che può essere attenuato mediante il processo noto come ricottura. In questo processo, il metallo viene riscaldato a una temperatura compresa tipicamente tra circa 600 e 700 gradi Celsius per una durata di circa 1–2 ore, dopodiché il metallo viene lasciato raffreddare lentamente all'interno del forno. Il risultato di tale processo è l'eliminazione delle tensioni interne accumulate nella struttura del materiale e la formazione di nuove strutture cristalline prive di deformazione. Dopo la ricottura, il materiale recupera generalmente circa il 30% della duttilità persa e può quindi subire modifiche di forma significativamente più severe prima che si verifichi la frattura. Per gli ingegneri industriali del settore automobilistico, disporre di una struttura uniforme di ferrite e perlite è fondamentale, in particolare per la produzione di pannelli carrozzeria e di unità di supporto strutturale che devono mantenere la propria configurazione sotto carico e, ove necessario, devono essere in grado di deformarsi e piegarsi.
La normalizzazione fornisce una struttura granulare uniforme e migliora la lavorabilità dell'acciaio al carbonio forgiato o laminato.
La normalizzazione inizia riscaldando l'acciaio a temperature comprese tra 800 e 900 gradi Celsius e raffreddandolo lentamente all'aria ferma. Questa tecnica elimina le strutture granulari grandi e non uniformi residue da precedenti operazioni di lavorazione a caldo e sviluppa una matrice microcostituente di ferrite/pearlite meno grossolana e più uniforme. Rispetto all'acciaio non normalizzato, la normalizzazione aumenta la facilità di lavorazione del 15–20%. La riduzione dell'usura degli utensili e un migliore finitura superficiale migliorano significativamente la durata degli utensili e la qualità dei pezzi. Ciò spiega il ricorso alla normalizzazione dell'acciaio nelle operazioni di produzione e lavorazione di componenti di precisione, come ingranaggi e alberi.
Tempra e rinvenimento: la sequenza critica per ottimizzare il rapporto resistenza-toughness negli acciai al carbonio medio
Per avviare il processo di tempra dell'acciaio, quest'ultimo deve innanzitutto essere riscaldato a una temperatura compresa tra 800 e 900 gradi Celsius, operazione nota come austenitizzazione. Immediatamente dopo questa fase di riscaldamento, l'acciaio viene sottoposto a una tempra rapida o istantanea, effettuata in un bagno d'acqua o d'olio, che trasforma la struttura austenitica in martensite, estremamente dura ma anche molto fragile. Questo processo può produrre una struttura martensitica con valori di durezza Rockwell C pari a 65 e una resistenza a trazione di 1.000 megapascal. Il problema è che, subito dopo la tempra, la struttura martensitica risulta troppo fragile per sopportare carichi reali. La soluzione a tale problema è la rinvenitura, un processo che prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura compresa tra 400 e 700 gradi Celsius per circa un'ora o più. Questo riscaldamento riduce le tensioni interne, aspetto fondamentale, e aumenta la tenacità della struttura grazie alla formazione di piccoli carburi, migliorando quindi sia la tenacità che la resistenza. Il trattamento termico in due fasi rimane tuttora obbligatorio nella moderna produzione industriale di componenti destinati a sopportare carichi elevati, quali gli assali dei veicoli, gli alberi a gomiti dei motori e una vasta gamma di sistemi industriali di ingranaggi.
Contenuto di carbonio come fattore determinante nella scelta dei trattamenti termici per l'acciaio al carbonio
acciaio con <0,3% C: problemi di temprabilità – perché ricottura e normalizzazione sono le opzioni migliori
Gli acciai a basso tenore di carbonio non contengono una quantità sufficiente di carbonio per formare una notevole quantità di martensite durante la tempra; pertanto, le tradizionali tecniche di indurimento non possono essere applicate a questi acciai. Invece, l’opzione più comune è il processo di ricottura, che favorisce la completa ricostruzione della microstruttura deformata a freddo e il ripristino della duttilità. Anche la normalizzazione contribuisce all’omogeneizzazione della distribuzione delle dimensioni dei grani in un metallo che è stato forgiato o laminato. Entrambi i metodi agevolano le successive operazioni di formatura e di lavorazione meccanica dell’acciaio e riducono i problemi di distorsione o fessurazione derivanti dalla tempra. Questi trattamenti termici vengono applicati nella produzione di componenti semplici, come pannelli della carrozzeria automobilistica, staffe e componenti strutturali nel settore automobilistico. Per tali applicazioni, gli ingegneri privilegiano proprietà quali buona saldabilità, buona stampabilità a freddo (deep draw ability) e costanza dimensionale, piuttosto che la massima resistenza raggiungibile.
Acciaio a medio tenore di carbonio (0,3–0,5% C): Tempra e rinvenimento – Aspettative prestazionali adeguate
Gli acciai a medio tenore di carbonio sono acciai con un contenuto di carbonio compreso tra lo 0,3 e lo 0,5 per cento. Questi sono ideali per i processi di tempra, poiché il tenore di carbonio è sufficiente a consentire la formazione di una certa quantità di martensite durante la tempra, ma non così elevato da rendere l’acciaio suscettibile a fessurazioni durante il trattamento termico. Un acciaio rinvenuto conserva un buon livello di tenacità; ad esempio, alcuni tipi di acciaio della qualità AISI 1045 raggiungono una resistenza a trazione superiore a 800 MPa. Inoltre, l’acciaio AISI 1045 presenta una buona resistenza alla fatica e una buona resistenza all’usura. Grazie a queste caratteristiche, questa qualità di acciaio è particolarmente apprezzata dagli ingegneri per componenti soggetti a carichi elevati, quali assali veicolari, bielle del motore e ruote dentate industriali per trasmissioni.
Selezione del mezzo di tempra e controllo del raffreddamento per una tempra affidabile degli acciai al carbonio
Tempra in acqua o in olio: bilanciamento tra formazione di martensite e rischio di fessurazioni negli acciai al carbonio
Il tipo di mezzo di tempra scelto ha un effetto diretto sulla velocità con cui viene rimosso il calore, sul verificarsi delle trasformazioni di fase e sull'entità delle tensioni residue nel metallo. Velocità di raffreddamento di circa 130 °C/s generano quantità significative di martensite, producendo una struttura molto dura. Ad esempio, la tempra in acqua è molto efficace per pezzi di forma semplice che richiedono un’elevata resistenza all’usura, come attrezzature agricole o matrici per utensili. Al contrario, la tempra in olio presenta una velocità di raffreddamento moderata di circa 80 °C/s. In questo caso, la minore velocità di raffreddamento è vantaggiosa, poiché riduce il rischio di shock termico e di deformazione della forma, pur garantendo comunque la formazione necessaria di martensite negli acciai a medio tenore di carbonio. La maggior parte dei laboratori preferisce la tempra in olio quando si lavorano strutture con pareti sottili, geometrie complesse o acciai ad alto tenore di carbonio, nei quali il rischio di fessurazione è significativo rispetto al modesto incremento di durezza ottenibile.
Sebbene il raffreddamento ad aria non indurisca i metalli, esso agevola il processo di normalizzazione, consentendo lo sviluppo senza tensioni delle fasi microstrutturali di ferrite e perlite.
Raffreddamento ad aria nella normalizzazione: ottenere una distribuzione uniforme di ferrite–perlite senza tensioni residue
Il processo di normalizzazione differisce dalla tempra in quanto utilizza il raffreddamento all'aria e non altri metodi che potrebbero essere più rapidi. Questo approccio più lento favorisce la transizione continua del materiale dalla fase austenitica a quelle ferritica e perlite. Con una velocità di raffreddamento di circa 5 gradi Celsius al secondo, la velocità è sufficientemente bassa da evitare lo sviluppo di gradienti termici che, nel migliore dei casi, deformerebbero il materiale e lascerebbero tensioni residue. Inoltre, una velocità di raffreddamento più lenta promuove l’uniformità della dimensione dei grani su tutta la sezione trasversale, fino alla superficie esterna. Ciò garantisce l’effetto desiderato sull’intera sezione trasversale. Quando si lavorano pezzi in acciaio a basso tenore di carbonio, questa tecnica risulta particolarmente importante per assicurare la stabilità dimensionale del componente, come nel caso di travi strutturali saldate o di alloggiamenti lavorati con precisione. Si tratta di applicazioni in cui il materiale non deve manifestare alcun comportamento imprevisto durante il funzionamento.
Domande più comuni
Qual è lo scopo della ricottura degli acciai al carbonio?
Lo scopo della ricottura degli acciai al carbonio è ripristinare la duttilità e la microstruttura, in modo che l'acciaio possa essere lavorato e sagomato più facilmente dopo la deformazione a freddo.
In che modo la normalizzazione migliora le proprietà dell'acciaio al carbonio?
La normalizzazione migliora le proprietà dell'acciaio al carbonio conferendogli una struttura granulare uniforme, in modo che l'acciaio possa essere lavorato con maggiore facilità e presenti minori sollecitazioni interne, il che è vantaggioso per componenti meccanici di piccole dimensioni e ad alta precisione.
Qual è il vantaggio della tempra e rinvenimento per gli acciai al carbonio medio?
Il vantaggio della tempra e rinvenimento degli acciai al carbonio medio consiste nel miglioramento contemporaneo della resistenza e della tenacità dell'acciaio, rendendolo adatto per strutture di maggiori dimensioni e maggiormente resistenti.
Qual è il problema legato alla tempra in acqua degli acciai al carbonio?
Il raffreddamento rapido determina distorsioni e fessurazioni nella tempra in acqua degli acciai al carbonio; tuttavia, tale processo aumenta la durezza.
Qual è il motivo della preferenza per l'acciaio a basso contenuto di carbonio in alcune applicazioni?
Il motivo della preferenza per l'acciaio a basso contenuto di carbonio in alcune applicazioni è che tale acciaio è più facilmente saldabile e modellabile nelle applicazioni quali i pannelli che costituiscono la carrozzeria delle autovetture e le parti che conferiscono struttura al veicolo, le quali presentano requisiti limitati di resistenza meccanica.