Temprabilità e trattamenti termici dell'acciaio: processi, mezzi di raffreddamento e prova Jominy

Fattori che influenzano la tempra e principali trattamenti termici

Fattori che modificano la tempra: Diversi fattori influenzano il raggiungimento di un buon trattamento di tempra, come ad esempio il tipo di acciaio, lo stato della microstruttura, la conducibilità termica, le dimensioni delle parti e il mezzo di raffreddamento impiegato.

1) Stato della microstruttura

Lo stato della microstruttura al momento del trattamento termico, in particolare la granulometria, è un fattore determinante: una granulometria maggiore tende a rallentare la trasformazione dell'austenite e quindi a modificare la velocità critica di raffreddamento. È pertanto importante controllare questi parametri per ottenere la struttura desiderata nell'acciaio.

2) Temprabilità

Temprabilità è la capacità di un acciaio di indurirsi in profondità quando raffreddato con un dato mezzo. Non va confusa con la durezza stessa: due acciai con la stessa durezza superficiale possono avere diverse temprabilità. Esistono metodi sperimentali per misurarla, come l'osservazione della profondità di indurimento e la variazione di durezza lungo una sezione opportunamente trattata.

3) Prova Jominy

La prova Jominy, adottata da norme come quelle di AISI e SAE, determina la temprabilità relativa di un acciaio. Il test fornisce una curva di durezza in funzione della distanza dalla superficie raffreddata e dà informazioni su:

• la durezza minima e massima ottenibile per un determinato acciaio con specifici trattamenti;
• la temprabilità e i possibili risultati con diversi mezzi di raffreddamento;
• la correlazione tra durezza e proprietà meccaniche come la resistenza alla trazione.

4) Mezzi di raffreddamento per la tempra

I principali mezzi di raffreddamento impiegati nella tempra sono l'acqua e l'olio; l'uso del mercurio è oggi molto limitato per costi e per motivi pratici, riservato solo a trattamenti particolari per ottenere elevate durezza superficiali.

• Acqua: per il suo punto di ebollizione relativamente basso, estende gli effetti della prima fase di ebollizione e può ridurre l'efficacia del raffreddamento in determinate condizioni (fenomeno della coltre di vapore).
• Olio: vengono impiegati oli da tempra con viscosità variabile; offrono raffreddamento meno violento dell'acqua e riducono il rischio di cricche.
• Mercurio: l'uso è molto limitato per l'alto costo e per problemi pratici, e viene giustificato solo in casi speciali.

Il raffreddamento per tempra si sviluppa tipicamente in tre fasi:

1. Fase di film (o «vapour blanket»): perdita di calore per conduzione e radiazione attraverso uno strato di vapore che si forma sulla superficie; l'efficacia dipende dalla conducibilità termica del vapore e dalle condizioni superficiali.
2. Fase di ebollizione nucleata: trasferimento di calore elevato con bolle che si formano e si distaccano; la velocità dipende dalla viscosità del bagno, dalla bagnabilità e dallo stato della superficie (ad es. presenza di cricche o rugosità).
3. Raffreddamento convettivo/conduttivo: una volta che la superficie è bagnata uniformemente, il raffreddamento procede per conduzione tra superficie e liquido e per convezione nel liquido; la conducibilità termica del liquido e l'agitazione influenzano questa fase.

5) Patentizzazione (ricottura a brevetto)

La patentizzazione è un trattamento usato tipicamente per fili ad alta resistenza. Consiste nel riscaldamento del filo fino alla completa austenitizzazione e nel successivo raffreddamento in un bagno di piombo fuso con temperature che variano, a seconda del caso, tra i 350 e i 600 °C. Poiché la temperatura del bagno deve essere mantenuta costante, questo processo è di fatto una trasformazione isoterma (ricottura a brevetto) e deve essere rigorosamente controllato per ottenere le caratteristiche desiderate.

6) Austempering (tempra isoterma)

L'austempering è applicabile con buoni risultati su utensili e pezzi di piccole dimensioni, mentre può risultare meno conveniente per componenti molto grandi. Questo trattamento mira a ridurre le fessure e le tensioni interne tipiche delle tempra convenzionali, promuovendo la formazione di una microstruttura bainitica (anziché martensitica), con un buon equilibrio tra durezza e tenacità.

7) Martempering (martemperizzazione)

Il martempering non modifica sostanzialmente la natura della martensite finale, ma è finalizzato a ridurre tensioni e cricche interne. Consiste nel raffreddare l'acciaio austenitizzato fino a una temperatura di mantenimento intermedia (tipicamente tra 200 e 300 °C) in un bagno di sale o metallo fuso, trattenendolo fino a stabilizzazione termica e poi lasciandolo raffreddare all'aria fino a temperatura ambiente per ottenere la trasformazione martensitica con minori distorsioni. Viene impiegato nella produzione di cuscinetti a sfere, ingranaggi e componenti che richiedono alta precisione dimensionale.

8) Rinvenimento (tempra secondaria)

Il rinvenimento è un trattamento complementare alla tempra. Dopo aver ottenuto una configurazione martensitica tramite tempra, il rinvenimento permette di ridurre le tensioni interne e di regolare durezza e tenacità. Il miglioramento delle proprietà meccaniche dipende criticamente dalla temperatura di rinvenimento e dalla durata del trattamento: aumentando la temperatura o il tempo si riduce generalmente la durezza a vantaggio di maggiore duttilità e tenacità.

9) Trattamenti con variazione di composizione superficiale

I trattamenti che modificano la composizione superficiale rappresentano una soluzione per ottenere parti di macchine con adeguata tenacità nel nucleo e elevata durezza e resistenza all'usura in superficie. In linea generale, la tenacità è favorita da acciai a basso tenore di carbonio, mentre elevata durezza e resistenza all'usura si ottengono aumentando il contenuto di carbonio o mediante leghe e trattamenti superficiali. Alcuni trattamenti comuni sono:

• Cementazione
• Carbonitrurazione
• Sulfanizzazione

Questi processi permettono di combinare, in un unico componente, un nucleo duttile e resistente agli urti con una superficie indurita e resistente all'usura.