Trattamenti termici degli acciai: tempra, rinvenimento e trattamenti superficiali

Introduzione ai trattamenti termici dell'acciaio

La perlite è costituita da strati alternati di ferrite e cementite. Il raffreddamento determina la velocità di diffusione del carbonio e la spaziatura interlamellare: la perlite fine presenta maggiore durezza e resistenza, mentre quella grossolana è più tenace.

La bainite è una miscela di ferrite e cementite con aghi più sottili, che si forma a temperature intermedie di raffreddamento.

La martensite è una soluzione solida sovrassatura di carbonio nel ferro alfa, con struttura cristallina tetragonale. Si ottiene per tempra, senza diffusione, e comporta elevata durezza ma perdita di tenacità.

Diagrammi TTT

Nei diagrammi TTT (tempo-temperatura-trasformazione) le aree di trasformazione di perlite, bainite e martensite possono variare in funzione di:

• contenuto di carbonio;
• elementi di lega: i formatori di carburi (Cr, Mo, W, V) ritardano la trasformazione; il Ni e il Mn abbassano la temperatura A3 e la linea Ms; gli elementi alfageni (Ti, Mo, Si, W) ritardano la bainite.

Le curve più grandi indicano trasformazioni più lente. La granulometria diminuisce con un aumento della dimensione del grano austenitico e a temperature minori si ottiene una austenite più omogenea.

Ricottura

La ricottura ha lo scopo di ammorbidire il materiale, eliminare le tensioni residue e rigenerare la struttura. Il riscaldamento avviene preferenzialmente al di sopra della temperatura critica, seguito da un raffreddamento lento.

• Omogeneizzazione: elimina le differenze di composizione chimica del materiale. Richiede temperature elevate e tempi lunghi, con rischio di accrescimento del grano.
• Rigenerazione: rigenera la struttura e riduce la grana. Si ottiene riscaldando di circa 50 °C sopra la temperatura di austenitizzazione (A3 o Acm) e raffreddando lentamente. Si eliminano le tensioni interne, è consigliata per acciai non ipoeutectoidi.
• Isotermica: l'austenitizzazione è parziale o totale, seguita da un mantenimento a temperatura costante.
• Globulizzazione o sferoidizzazione: si ottiene una struttura con carburi di forma globulare. Adatta per acciai ipereutectoidi, mediante riscaldamento e raffreddamento in un intervallo di temperatura intorno ad A1, oppure riscaldamento leggermente sopra A1, mantenimento prolungato e raffreddamento lento.

Normalizzazione

La normalizzazione produce una grana fine e riduce le tensioni interne. Consiste nel riscaldamento di circa 50 °C sopra la temperatura di austenitizzazione, seguito da raffreddamento in aria calma. È indispensabile l'austenitizzazione totale del materiale.

Si ottiene perlite fine, grano più piccolo e una struttura migliore per acciai ipoeutectoidi, con maggiore resistenza a trazione e limite elastico rispetto alla ricottura.

Rinvenimento

Il rinvenimento ha l'obiettivo di ridurre le tensioni prodotte dalla tempra, che sono causa di eccessiva durezza e fragilità. Il risultato è una migliore tenacità e una diminuzione della durezza.

Si parte dalla martensite tetragonale, con temperature sempre inferiori ad A1, e si mantiene la temperatura per consentire la diffusione del carbonio nel reticolo, seguita da raffreddamento.

Le fasi della trasformazione martensitica durante il rinvenimento, a partire dalla temperatura ambiente fino a 200 °C, sono le seguenti:

• Fase 1 (T < 200 °C): la martensite tetragonale perde carbonio e si trasforma in martensite cubica, con formazione di carburo epsilon.
• Fase 2 (T circa 200 °C): l'austenite residua non trasformata si trasforma in bainite o martensite. Questa fase è detta rinvenimento secondario difficile.
• Fase 3 (T > 200 °C): scompare la martensite residua e si forma cementite, con perdita di carbonio. Si ottiene minore durezza e maggiore resistenza.

Tempra

La tempra ha lo scopo di ottenere martensite. Si effettua riscaldando a una temperatura adeguata e raffreddando rapidamente. Maggiore quantità di martensite comporta maggiore durezza.

Il trattamento è totale per gli acciai ipoeutectoidi (ferrite + perlite trasformate in austenite) e parziale per quelli ipereutectoidi (austenite + cementite trasformata in martensite).

La superficie esterna, raffreddata più rapidamente, risulta fredda, poco tenace, fragile e dura. Il nucleo interno tende a creparsi e a rompersi durante il raffreddamento, poiché subisce una dilatazione più lenta.

Fattori da considerare: effetto della forma del pezzo, velocità di raffreddamento e curve TTT. Gli elementi di lega spostano le curve TTT verso destra, rallentando la trasformazione e facilitando la tempra. Il cobalto è l'eccezione.

Tipi di tempra isoterma

1. Martempering: omogeneizza la temperatura del pezzo ed evita crepe. Trasforma l'austenite in martensite al 100%, con raffreddamento fino a una temperatura leggermente superiore a Ms, seguito da raffreddamento in aria.
2. Austempering: trasforma totalmente l'austenite in bainite. Il pezzo viene mantenuto alla temperatura di formazione della bainite fino a trasformazione completa, con maggiore durezza e tenacità.
3. Tempra isoterma comune: l'austenite si trasforma in una miscela di bainite e martensite, non al 100%. Si mantiene la temperatura fino alla formazione della bainite, poi si raffredda in aria per trasformare l'austenite residua in martensite.

Tempra superficiale

La tempra superficiale permette di ottenere un'elevata durezza solo sulla superficie del pezzo, mantenendo il nucleo tenace. La profondità della martensite dipende dal tempo di riscaldamento. Questo trattamento è utile per alberi soggetti ad usura superficiale.

Trattamenti termochimici

I trattamenti superficiali sono destinati ad aumentare la durezza e la resistenza all'usura della superficie, mantenendo un nucleo duro e tenace. Comprendono la tempra superficiale e i trattamenti termochimici (cementazione e nitrurazione).

I trattamenti termochimici modificano la composizione chimica dello strato superficiale tramite diffusione di un elemento (C, N, B, S...) nel materiale. Sono più costosi dei trattamenti termici tradizionali.

Cementazione

La cementazione consiste nella diffusione di carbonio sulla superficie di un acciaio a basso tenore di carbonio. Superficie: perlite + cementite. Interno: perlite + ferrite. Il processo è seguito da tempra e rinvenimento.

Non si deve superare lo 0,9% di carbonio nello strato, perché renderebbe il materiale troppo fragile. Aumentano la temprabilità e la resistenza, con caratteristiche migliori nel nucleo.

Per gli acciai da cementazione si preferiscono basse percentuali di Cr e Mo (per evitare reti di carburi) e di Ni e Mn (per evitare distorsioni e per favorire l'austenite durante il rinvenimento).

Nitrurazione

La nitrurazione è progettata per ottenere durezza superficiale. Consiste nell'introduzione di atomi di azoto nella microstruttura del materiale, ottenuti dall'ammoniaca. Si utilizzano elementi di lega (Al, Cr, Mo, V...) per formare nitruri.

La temperatura è compresa tra 590 e 600 °C, sufficiente a non far crescere il grano, con tempi inferiori alla cementazione. Si applica dopo tempra e rinvenimento. Le impurità devono essere controllate.

Si ottiene un nucleo ad alta tenacità e una superficie dura senza tempra, ma lo strato è più sottile, fragile e facile da staccare.