Trattamenti termici dei metalli: ricottura, tempra, rinvenimento e trattamenti superficiali

Trattamenti Termici dei Metalli

I trattamenti termici sono processi metallurgici finalizzati alla rigenerazione o alla modifica della struttura cristallina attraverso cicli di riscaldamento e raffreddamento, in cui le temperature e i tempi sono rigorosamente controllati.

La Ricottura

La ricottura consiste nel riscaldamento del metallo a temperature superiori a quelle critiche, seguito da un raffreddamento lento. Questo processo elimina le tensioni interne e rigenera la struttura (entrambe causate da un precedente raffreddamento errato), rendendo il materiale estremamente morbido e duttile. Esistono diversi tipi di ricottura:

Austenitizzazione completa o Rigenerazione

Attraverso un riscaldamento lento e uniforme, l'acciaio viene portato nella zona austenitica, dove rimane fino a quando l'intera struttura si trasforma in austenite. Questa ricottura viene eseguita per addolcire l'acciaio e affinarne la struttura.

Ricottura subcritica

Viene utilizzata quando si cerca di eliminare le tensioni interne e aumentare la duttilità; comporta il riscaldamento dell'acciaio a temperature vicine ma inferiori al punto critico. Possiamo distinguere tre modalità:

• Addolcimento: per creare le migliori condizioni per la lavorazione meccanica dell'acciaio.
• Contro l'incrudimento: per aumentare la duttilità dell'acciaio e consentire ulteriori trattamenti.
• Globulare: utilizzata per ridurre la durezza dell'acciaio ottenendo una configurazione strutturale globulare.

Austenitizzazione incompleta o globulare

Comporta il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura intermedia tra i punti critici inferiore e superiore per raggiungere una struttura di cementite globulare, che caratterizza questo tipo di ricottura.

Ricottura doppia

Consiste in un'austenitizzazione completa seguita da una ricottura subcritica, senza lasciare che il metallo si raffreddi completamente. Il suo scopo è ottenere valori di durezza molto bassi.

Normalizzazione

La normalizzazione è un trattamento termico molto simile alla ricottura completa, ma si differenzia perché la velocità di raffreddamento è leggermente più elevata, così come la temperatura di riscaldamento.

La Tempra

Per ottenere una tempra efficace, l'intera massa deve raggiungere la struttura austenitica. L'acciaio viene riscaldato uniformemente, con un controllo rigoroso per prevenire tensioni interne, e viene poi raffreddato a velocità controllate per ottenere diverse strutture: sorbite, troostite e martensite.

Fattori che influenzano la tempra

1. Velocità di raffreddamento ideale: tipica di ogni acciaio, che solitamente diminuisce all'aumentare degli elementi leganti.
2. Condizione della struttura: influisce sulla velocità critica; maggiore è la dimensione del grano, minore è la velocità critica richiesta.
3. Conducibilità termica e dimensioni: la dimensione dei pezzi farà sì che a diverse profondità il raffreddamento avvenga a velocità differenti, limitando l'estensione e l'uniformità della tempra.

Mezzi di raffreddamento per la tempra

Lo studio del processo di raffreddamento permette di distinguere tre fasi:

• Periodo di perdita di calore per conduzione e radiazione della massa gassosa, che dipende dalla conducibilità termica del vapore.
• Raffreddamento per trasporto di vapore, che varia a seconda della viscosità del bagno e dello stato di agitazione.
• Raffreddamento per conduzione e convezione nel liquido, dove la conducibilità termica e l'agitazione sono i fattori predominanti.

Per ogni refrigerante bisogna considerare:

• Acqua: a causa del suo basso punto di ebollizione, estende gli effetti della prima fase, riducendo la velocità di raffreddamento globale.
• Olio: vanno monitorati il punto di volatilizzazione (per evitare la perdita di proprietà) e i punti di infiammazione e combustione.
• Mercurio: il suo impiego è molto limitato dall'alto costo; è giustificato solo per la tempra di pezzi speciali che richiedono altissima durezza.
• Sali di piombo e basi: la temperatura del bagno favorisce trasformazioni strutturali isoterme, a beneficio della qualità dell'acciaio.

Brevettaggio e Bonifica

Brevettaggio: utilizzato per fili ad alta resistenza destinati alla trafilatura. Si tratta di una trasformazione isoterma che prevede il riscaldamento del filo per completare l'austenitizzazione, seguito da un raffreddamento in un bagno di piombo fuso per ottenere una struttura a grana fine (sorbite).

Bonifica: riscaldamento dell'acciaio alla corretta temperatura di austenitizzazione e successivo raffreddamento in sali fusi fino alla trasformazione in bainite. Questa struttura conferisce all'acciaio una maggiore resistenza, durezza e resistenza alla flessione.

Sali Fusi

Questo trattamento serve a eliminare le crepe da stress e rendere fattibili le lavorazioni interne, garantendo che la trasformazione strutturale sia uniforme.

Rinvenimento

Il rinvenimento è una ricottura subcritica eseguita dopo la tempra. Il suo scopo è eliminare le tensioni interne e migliorare la duttilità, riducendo la fragilità causata dal processo di formazione della martensite. Il miglioramento delle proprietà dipende dalla temperatura e dalla durata del trattamento.

Trattamenti Termochimici e di Superficie

Questi trattamenti sono ampiamente usati nella fabbricazione di componenti meccanici per conferire tenacità e durezza superficiale.

• Cementazione: consiste nell'aumentare il contenuto di carbonio in superficie, sottoponendo i metalli ad alte temperature in contatto con sostanze carburanti (solide, gassose o sali fusi).
• Carbonitrurazione: simile alla cementazione, si differenzia per l'assorbimento simultaneo di carbonio e azoto. L'azoto abbassa la velocità critica e la temperatura di trasformazione martensitica, migliorando la struttura.
• Sulfinizzazione: conferisce alle superfici trattate un'ottima resistenza all'usura senza aumentarne eccessivamente la durezza, utilizzando miscele di sali a base di zolfo.