Trattamenti termici

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Bonifica


Con il termine bonifica si intende un insieme di trattamenti termici che si effettuano a particolari tipi di acciai e che consiste in una tempra seguita da un rinvenimento.[1]

Nel corso della tempra degli acciai si ha formazione di martensite, una struttura ad elevata durezza e notevole carico di rottura, ma con una resilienza piuttosto bassa che può dar luogo a rotture in seguito a urti. Data la pericolosità di questi fenomeni, che comportano un collasso praticamente istantaneo della struttura, si sottopone l’acciaio ad un trattamento termico di rinvenimento, per trasformare parte della martensite in martensite rinvenuta. Infatti la martensite è una fase metastabile, cioè si forma solo perché gli atomi di carbonio non riescono a fuoriuscire dal reticolo a causa dell’elevata velocità di raffreddamento che impedisce i moti diffusivi.

Dato che la martensite, in assenza di elementi leganti, si forma solo con una percentuale di carbonio superiore allo 0,2%, sotto questo limite gli acciai praticamente non possono essere temprati, quindi non ha senso effettuare un trattamento di bonifica che è tanto più utile quanto più alta è la percentuale di carbonio. In genere gli acciai destinati a questo trattamento hanno lo 0,4-0,6% di C e sono appunto detti acciai da bonifica.

Viene definita bonifica questa sequenza di trattamenti solo nel caso in cui il rinvenimento avvenga ad una temperatura maggiore di 550 °C (salvo nel caso degli acciai per molle che vengono rinvenuti a circa 450 °C). Portando la martensite a questa temperatura essa rinviene, trasformandosi in sorbite, una struttura che combina una buona resistenza a trazione, anche se inferiore a quella della martensite, ad una maggiore tenacità.

Carbocementazione

La carbocementazione è un processo metallurgico utilizzato per aumentare la resistenza all’usura degli acciai.

L’arricchimento superficiale in carbonio (circa 0,8%), e la conseguente formazione di carburi, è utile per conferire resistenza all’usura e rafforzamento grazie al meccanismo di Orowan in superficie, unite a tenacità interna (per esempio per denti di ingranaggi). Conviene eseguirlo su acciaio dolce portato oltre la temperatura Ac3[circa 950 °C], in quanto l’austenite solubilizza meglio il carbonio. Il carbonio migra oltre la superficie per diffusione, quindi la legge che ne regola il meccanismo è la seconda legge di Fick; importanti sono inoltre parametri come la temperatura, il tipo di reticolo metallico, la differenza di concentrazione tra ambiente esterno e interno (quindi si usa acciaio dolce con C < 0,2%, così che la forza motrice dovuta al gradiente di concentrazione sia la massima possibile) e l’estensione dei giunti dei grani (attraverso i quali gli atomi diffondono meglio). Esistono diversi metodi di carbocementazione, in base alla sostanza cementante, ma si sottolinea che l’ambiente è sempre gassoso, in quanto vi è sempre la necessità del trasporto operato dall’ossido di carbonio. A fine trattamento termico si otterrà uno strato superficiale altamente cementato e duro; inoltre si potrà eseguire un trattamento di tempra per conservare la tenacità al cuore.

Prodotti di solito cementati: ingranaggi.

Esempio di acciaio cementabile: 18CrMo4.

Carbonitrurazione

La carbonitrurazione è un processo metallurgico che consiste nell’investire pezzi di acciaio, riscaldati a temperature comprese fra 721 °C e 910 °C, con una miscela gassosa o liquida capace di cedere carbonio e azoto (UNI 5479-70).

In pratica la carbonitrurazione viene effettuata ad una temperatura di circa 775 °C. Con un permanenza di 3/4 ore, si ottiene uno strato cementato profondo 0,10/0,15 mm. Lo spessore carbonitrurato può variare da 0,05mm a 0,55mm.

La carbonitrurazione viene eseguita su pezzi di acciaio a basso tenore di carbonio. I pezzi, prima della carbonitrurazione, devono essere sottoposti a un trattamento di distensione.

Vantaggi:

  • La carbonitrurazione non produce deformazioni e pertanto può essere eseguita su pezzi di piccolo spessore
  • I pezzi carbonitrurati presentano, rispetto ai pezzi nitrurati, una maggiore resistenza all’usura a secco.
  • Le superfici carbonitrurate possegono una minore tendenza all’ingranamento e perciò la carbonitrurazione è particolarmente indicata per le superfici di contatto dei pezzi dotati di moto relativo.
  • L’indurimento dei pezzi carbonitrurati permane anche a temperature di circa 360 °C e pertanto la carbonitrurazione viene spesso preferita alla carbocementazione.

Distensione

La distensione in siderurgia, è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento e nella permanenza a temperature inferiori ad Ac1 ed in un raffreddamento lento.

Lo scopo della distensione è quello di ridurre le tensioni interne senza alterare significativamente la durezza.

In generale, il trattamento di distensione viene eseguito a 150-180 °C per gli acciai al carbonio o debolmente legati, ed a 170-210 °C per gli acciai da cementazione.

Non sempre questo trattamento è indicato per materiali destinati alla produzione di elementi sottoposti a sollecitazioni di fatica e sollecitazioni flessionali perché lo strato tensionale superficiale può rivelarsi utile per aumentarne la resistenza a fatica.

Nitemper - Tenifer

Il processo Termochimico di Nitrocarburazione Ferritica o Nitrurazione morbida (Nitemper) è un trattamento superficiale, eseguito all’interno di un intervallo di temperatura da 550°C a 580°C, atto a conferire sui materiale proprietà anti-usura realizzate attraverso la dissociazione di atmosfere controllate. Tale processo viene realizzato su particolari che a seguito di tale trattamento termico non necessitano di nessun recupero dimensionale e pertanto sono “pronti” al montaggio, infatti tale procedimento consente di mantenere le tolleranze dimensionali sul prodotto finito al di sotto di 0,01 mm. sul raggio.

Tutti i materiali tranne quelli inossidabili si prestano a tale trattamento ma quelli consigliati al fine di rendere al minimo l’insorgenza di deformazioni apprezzabili sono tutti i materiali da Nitrurazione forniti allo stato bonificato come: 42CrMo4, 39NiCrMo3, 30NiCrMo12 e 41CrAlMo7. Le caratteristiche meccaniche di superficie prodotte da questo trattamento eseguito su impianti automatici di tipo monocamera e multicamera sono pilotabili attraverso la scelta del materiale in quanto è la percentuale degli elementi di lega che contraddistinguono il tipo di acciaio che influenzano la sua durezza superficiale.

Una variante della Nitrurazione Morbida è il trattamento di Nitrocarburazione Ferritica ossidata che permette di ricoprire i materiali sottoposti a nitemper di un ulteriore strato superficiale dello spessore di alcuni micron che previene fenomeni di ossidazione superficiale.

Nitreg

Nitrurazione

La nitrurazione è un processo industriale di indurimento superficiale degli acciai.

Il procedimento consiste nel portare l’acciaio a 500 °C circa[1] (il tempo di trattamento è quindi lungo) per introdurvi azoto atomico, il quale viene assorbito dalla ferrite superficiale del metallo e forma nitruri, prevalentemente Fe4N, molto duri e che distorcono il reticolo cristallino. Il meccanismo di rafforzamento che quindi interviene è quello di Orowan.

Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per carbocementazione, ma in compenso la sua durezza, che varia a seconda della composizione dell’acciaio, può (con certi tipi di acciaio) raggiungere 1000 HV e rimane stabile fino a temperature di 600-700 °C.

Non è possibile utilizzare l’azoto molecolare, eccessivamente ingombrante, per cui si ricava l’azoto atomico dalla dissociazione termica dell’ammoniaca[1] o dalla diffusione da bagni di sale.

Vantaggi:

  • durezza superficiale e resistenza all’usura;
  • stabilità al rinvenimento e quindi durezza a caldo;
  • resistenza alla fatica e agli intagli;
  • resistenza alla corrosione;
  • stabilità dimensionale

I pezzi possono essere sottoposti al trattamento completamente finiti perché il processo, avvenendo a bassa temperatura, non provoca tensioni e deformazioni.
Considerato il costo elevato, si nitrurano solo acciai dove il risultato sia tale da compensare la spesa: quindi quelli contenenti cromo, molibdeno e alluminio (< 1%), che formano nitruri più efficaci di quelli di ferro. Si preferiscono inoltre acciai bonificati perché è necessaria tenacità al cuore del pezzo e perché la struttura fine creata con la bonifica facilita la diffusione dell’azoto. Ne sono esempi il 41CrAlMo7 e il 42CrMo4.

Utilizzi più frequenti: calibri, riscontri, ingranaggeria di precisione, fasce elastiche, alberi a camme e a gomiti per la nitrurazione in fase gassosa; utensili di acciaio rapido a profilo costante (creatori, maschi, pettini, punte), acciai inossidabili o per valvole austenitici, alcuni acciai per stampi per la nitrurazione in bagno di sale.
Si sconsiglia di nitrurare pezzi sottoposti a elevata compressione.

Normalizzazione

È un particolare tipo di ricottura, eseguito a 70 °C sopra Ac3, con il quale si ottiene un’affinazione della grana cristallina, per migliorare le caratteristiche meccaniche finali di un pezzo.
Il riscaldamento avviene in campo austenitico ed è seguito da un raffreddamento in aria calma.

Ricottura

Processo utile ad annullare gli effetti di qualsiasi trattamento effettuato in precedenza, con l’eliminazione nell’ordine di

  • tensioni residue e incrudimento
  • alterazioni della microstruttura
  • segregazioni

Stabilizzazione

La stabilizzazione è un trattamento di distensione, che viene eseguito principalmente su strutture che hanno subito lavorazioni di saldatura, allo scopo di eliminare le tensioni residue. Generalmente viene eseguita ad una temperatura di ca. 550°C (in funzione anche del materiale), per un tempo calcolato in base allo spessore del materiale, comunque minimo di 2 ore.

Sulfinizzazione B. T.

Il sulf bt è un trattamento elettrolitico effettuato a bassa temperatura (da 180° a 190°C) in Sali fusi che conferisce agli acciai, purché non inossidabili, con più del 12% di cromo, e altre ghise, notevoli proprietà di sfregamento , resistenza all’usura e al grippaggio.

Il sulf bt crea sulla superficie dei pezzi un microstrato di solfuro di ferro dello spessore da 4 a 7 micron completamente compenetrato nel metallo base.

Il sulf bt è eseguito allo scopo di:

  • Aumentare la resistenza al grippaggio
  • Aumentare la resistenza all’usura
  • Diminuzione del coefficiente d’attrito
  • Miglioramento del carico limite di rottura del film di olio
  • Miglioramento delle condizioni di rodaggio

Il sulf bt comporta generalmente una perdita di quota per cui bisogna valutare e tenere conto durante la lavorazione. Non si ha aumento della resistenza alla corrosione e necessita di film oleoso per la conservazione. Si può avere diminuzione della durezza per i particolari rinvenuti dopo la tempra a temperatura inferiore a 180°C.

Tempra

Si porta l’acciaio ad una temperatura di 50 °C superiore ad Ac3 (temperatura alla quale avviene la completa trasformazione in austenite), poi si raffredda rapidamente per ottenere martensite.

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