Principali trattamenti termici per acciaio per stampi

I trattamenti termici identificano tutte le operazioni termiche a cui vengono sottoposti i metalli o le leghe metalliche al fine di ottenere strutture e proprietà specifiche; in particolare, consistono in uno o più cicli di riscaldamento in condizioni e a temperature determinate, seguiti da raffreddamenti più o meno rapidi (in forno, in aria, in acqua, ecc..).

La sensibilità degli acciai ai trattamenti termici dipende prevalentemente dalla loro composizione chimica ed in misura principale dal tenore di carbonio la cui influenza è poi modificata dagli altri elementi in lega. Se vogliamo aumentare la durezza degli acciai è sufficiente scaldarli a una determinata temperatura e poi raffreddarli velocemente in acqua o in olio. Lo stesso acciaio, se raffreddato molto lentamente, diventa invece dolce e lavorabile per deformazione plastica. La modifica delle proprietà delle leghe metalliche è dovuta all’azione del calore che cambia la struttura della lega. Ad ogni cambiamento di struttura corrispondono differenti proprietà meccaniche.

Le proprietà delle leghe modificabili con i trattamenti termici sono: la durezza, la resistenza alle sollecitazioni, la tenacità, la lavorabilità (nell’asportazione del truciolo sulle macchine utensili) e la malleabilità. In generale, i trattamenti termici si possono suddividere in tre fasi:

  • Riscaldamento
  • Mantenimenti di una definita temperatura
  • Raffreddamento secondo leggi determinate.

In particolare, per gli stampi si prediligono trattamenti termici superficiali, in quanto l’indurimento completo dello stampo non è auspicabile, dato che potrebbe causare una perdita di tenacità dello stesso. Le condizioni e il tipo di trattamento delle superfici dei componenti di stampi ha un effetto significativo sulla loro funzionalità.

NITRURAZIONE

Si tratta di un processo termochimico di diffusione che permette un arricchimento superficiale di azoto. È un processo a cui possono essere sottoposti tutti gli acciai solitamente impiegati per la produzione di stampi, ma sconsigliato nel caso di acciai resistenti alla corrosione poiché comporta una diminuzione della stabilità agli agenti corrosivi. La nitrurazione viene applicata ad acciai legati, acciai inossidabili e acciai rapidi ed è eseguita attraverso il riscaldamento delle componenti in una camera a tenuta di gas ad una temperatura compresa tra i 500°C e 600°C, in atmosfera di ammoniaca o miscele di sali fusi. Raggiunta la temperatura di riscaldamento desiderata, i particolari vengono mantenuti a temperatura per un tempo variabile in funzione della profondità dello strato nitrurato che si vuole ottenere: in genere, le profondità raggiungibili si attestano nel range di 0.1-0.6 mm, scendendo a 0.02-0.07 mm per gli acciai rapidi. In seguito, i pezzi vengono bruscamente raffreddati in un bagno di sale, d’olio oppure d’acqua. Questo trattamento permette di raggiugere durezze superficiali fino a 1100 HV.

CEMENTAZIONE

Si tratta di un processo termochimico che determina la diffusione del carbonio nello strato superficiale del componente. Questo processo, mette a contatto un acciaio a basso tenore di carbonio (0.2% C) o un acciaio legato (0.08-0.2% C), con un’atmosfera carburante in modo da arricchire lo strato più esterno del materiale, fino a raggiungere concentrazioni di carbonio di circa 0.8%. In genere, gli stampi sono posizionati in forno in atmosfera di gas carboniosi (cementazione gassosa) o in solidi contenenti carbonio (cementazione solida) per essere riscaldati ad una temperatura che varia da 870°C a 950°C, ovvero temperature superiori al punto critico Ac3. La temperatura raggiunta viene mantenuta per un tempo sufficiente a far sì che lo strato indurito raggiunga la profondità desiderata. Al termine dell’assorbimento del carbonio, i pezzi vengono bruscamente raffreddati in bagno di sale, d’olio oppure d’acqua all’interno di forni definiti come impianti in atmosfera controllata dove, temperatura e tempo di permanenza sono regolati così da poter controllare la profondità di cementazione e la durezza. La cementazione genera proprietà scadenti nell’acciaio a causa dell’ingrossamento del grano austenitico. Per ottenere le proprietà di durezza in superficie, senza eccessiva fragilità, e di tenacità al cuore è necessario seguire un trattamento termico di tempra condotto in modo da tener conto che, poiché l’acciaio presenta un cuore a basso tenore di carbonio e uno strato cementato con circa lo 0.8% di carbonio, la temperatura di austenizzazione della superficie è molto maggiore di quella del cuore. Si esegue quindi una doppia tempra. Effettuando alcune modifiche a questo trattamento, si ottiene quello chiamato di CARBONITRURAZIONE. In questo caso, il materiale, solitamente acciai a basso tenore di carbonio, viene riscaldato fino a raggiungere temperature comprese tra i 700 e 800°C in atmosfera di gas contenenti carbonio e azoto. La temperatura viene mantenuta per un tempo proporzionale allo spessore cementato che si vuole ottenere (solitamente si tratta di alcune ore). Al termine del mantenimento, viene eseguita la fase di raffreddamento veloce che causa la tempra dello strato carbonitrurato permettendo alla superficie di raggiungere durezze comprese tra 55 e 62 HRC, generando minori distorsioni rispetto alla cementazione.

RICOTTURA

Si tratta di un trattamento termico applicato agli acciai al carbonio e agli acciai legati per eliminare le conseguenze di precedenti trattamenti termici o di lavorazioni meccaniche in modo da poter raggiungere le caratteristiche di lavorabilità, durezza e assenza di tensioni interne desiderate. Il riscaldamento viene eseguito lentamente fino al raggiungimento della temperatura necessaria a eliminare le caratteristiche indesiderate. Al termine della permanenza in temperatura, i pezzi vengono riportati lentamente a temperatura ambiente raffreddandoli all’interno del forno impiegato per il riscaldamento.

Esistono diverse tecniche per la ricottura:

  • Ricottura di lavorabilità. Permette di addolcire il materiale rendendolo più lavorabile. Il riscaldamento viene eseguito a temperatura leggermente al di sotto dell’intervallo critico A1, seguito da un mantenimento prolungato e un raffreddamento lento.
  • Ricottura di distensione. Permette di eliminare le tensioni interne provocate dai precedenti trattamenti o raffreddamenti che ridurrebbero la resistenza. La temperatura di riscaldamento è compresa tra i 540 e 565 °C e viene mantenuta per almeno un’ora. Gli sforzi residui sono ridotti a circa il 20% rispetto ai valori iniziali; una diminuzione maggiore è ottenuta aumentando la temperatura o la durata del trattamento.
  • Ricottura di globulizzazione. Permette di ottenere la sferoidizzazione della cementite, aumentando così la lavorabilità e la stabilità al trattamento termico riducendo le deformazioni. Il ciclo termico deve essere precisato caso per caso e varia passando da un tipo all’altro di acciaio; consiste essenzialmente in un riscaldamento a temperatura leggermente sotto o sopra quella critica A1, oppure, nella ricottura cosiddetta pendolare, riscaldando il materiale a temperatura oscillante intorno a questo limite; in ogni caso segue un lento raffreddamento finale.
  • Ricottura completa od austenitica. serve a migliorare la duttilità e lavorabilità portando alla decomposizione del carburo di ferro, cui è legata la durezza, in grafite e ferrite (grafitizzazione). Di solito, è eseguita tra 700 e 760 °C con un successivo lento raffreddamento, intorno a 50 °C/h, fin sotto 300 °C circa. In generale, permette di affinare od omogeneizzare il grano austenitico; il processo ha effetto specialmente se molto prolungata al di sopra dell’intervallo critico.

NORMALIZZAZIONE

Rispetto alla ricottura, la normalizzazione è un trattamento termico veloce ed economico in quanto non vengono impiegati forni per la fase di raffreddamento. La fase di riscaldamento è del tutto simile a quella del trattamento di precedente, l’acciaio è riscaldato fino a una temperatura di circa 70°C sopra A3, tale temperatura viene mantenuta per un tempo sufficiente alla completa austenizzazione. La fase di raffreddamento, invece, viene eseguita liberamente in aria. Questo trattamento permette di ottenere un acciaio a struttura fine, regolare e omogenea indipendentemente dalla situazione di partenza. Inoltre, è possibile preparare pezzi di grandi dimensioni o con forma complessa al trattamento di tempra successivo riducendone le deformazioni. La normalizzazione conferisce durezza e resistenza maggiori della ricottura, perché il suo raffreddamento più rapido conferisce ai cristalli dimensioni più piccole e strutture più fini Per gli acciai a basso tenore di carbonio la normalizzazione è preferita alla ricottura qualora il materiale debba subire lavorazioni alle macchine utensili. La ricottura, infatti, renderebbe questi acciai troppo teneri e lavorabili con maggiore difficoltà alle macchine utensili.

TEMPRA

Questo trattamento viene solitamente applicato agli acciai al carbonio e agli acciai legati. Le parti interessate dal trattamento vengono riscaldate all’interno del forno elettrico fino a superare la temperatura di trasformazione del diagramma di stato ferro-carbonio (A3). Le temperature massime che si raggiungono con questo tipo di trattamento sono pari a 1.250°C raggiunti durante il trattamento di acciai rapidi. In questo tipo di trattamento, vengono impiegati forni a bagno di sale, ad atmosfera controllata, sotto vuoto che evitano la decarburazione superficiale dei pezzi sottoposti al trattamento. Una volta raggiunta la temperatura desiderata, i pezzi trattati vengono mantenuti alla temperatura stabilita per un tempo sufficiente a ottenere l’equilibrio termico e strutturale, consentendo un successivo brusco raffreddamento con velocità superiore a quella critica. Questo raffreddamento rapido è necessario per fissare la struttura cristallina definita attraverso il riscaldamento, che può essere eseguita attraverso procedure in azoto, bagno di sale, d’olio oppure d’acqua in funzione delle caratteristiche di durezza che si desidera ottenere. Questa sequenza genera uno stato innaturale di costrizione della materia, cui compete la struttura martensitica, caratterizzata da alta durezza e fragilità, senza ossidi all’interno della struttura. Durante il raffreddamento, la parte esterna del pezzo, a contatto con il mezzo temprante, si raffredda più rapidamente rispetto alla parte interna. Essa tende ad espandersi ostacolata però dallo strato superficiale già diventato martensitico inducendo nel materiale uno stato di tensione che può provocare deformazioni o rotture interne al pezzo.

L’acciaio temprato risulta particolarmente fragile, quindi per mezzo di un successivo riscaldamento viene favorita la diffusione degli atomi di carbonio che abbandonano lentamente il reticolo martensitico. Per ovviare a queste problematiche una buona soluzione è l’esecuzione di trattamenti di RINVENIMENTO. Questo processo ha lo scopo di ridurre la durezza e le tensioni generate all’interno dei pezzi a seguito dei trattamenti termici precedenti, permettendo di ottenere strutture con una combinazione utile e vantaggiosa di durezza e tenacità. La fase di riscaldamento viene eseguita in forni a una temperatura, in genere, non superiore a 600-650 °C, in ogni caso inferiore ad A1, per poi essere raffreddato ad una velocità fissata. Il processo di raffreddamento viene modulato a seconda delle caratteristiche di resistenza meccanica che si vogliono ottenere, determinate dal cambiamento sia della composizione molecolare sia della struttura cristallina. Durante il rinvenimento la struttura della martensite subisce una trasformazione continua e progressiva, si può dire, in generale, che la struttura finale dopo il rinvenimento ad una certa temperatura corrisponde, quantitativamente, a quella che si origina dalla trasformazione diretta della austenite alla stessa temperatura.

Un’altra soluzione, che permette di evitare le criticità dovute al trattamento di tempra, è la TEMPRA BAINITICA. Esso è un trattamento, generalmente applicato agli acciai da bonifica e prevede il riscaldamento dei pezzi affinché si verifichi una trasformazione isotermica dell’austenite. Il riscaldamento viene eseguito in un forno a muffola con avanzamento automatico ed in atmosfera di gas neutro. Una volta raggiunta la temperatura stabilita (in genere superiore alla temperatura Ms dell’inizio della formazione di martensite), i pezzi restano a quella temperatura per il tempo necessario a raggiungere l’omogeneità strutturale accettabile. In seguito i pezzi vengono raffreddati con una velocità superiore alla “velocità critica di tempra” in acqua o in aria fino al raggiungimento della temperatura ambiente per evitare un inizio di trasformazione nel campo perlitico. Lo scopo del processo è fare in modo che i pezzi acquisiscano specifiche proprietà d’impiego. Questo trattamento offre il vantaggio di ottenere la struttura finale con una sola operazione.

Un ulteriore trattamento termico che può essere impiegato per trattare le superfici degli stampi è la TEMPRA CRIOGENICA; questo, come si può intuire dal nome stesso, si discosta dalle fasi che hanno caratterizzato i trattamenti indicati precedentemente. In questo caso, la temperatura dell’acciaio viene portata da quella ambiente a -180°C a una velocità ridotta (2°C/min) per evitare shock termici. Il componente viene quindi mantenuto a questa temperatura da 24 a 36 ore. Durante la fase di mantenimento, la trasformazione da austenite a martensite avviene lentamente, ma quasi completamente (90%) in confronto alla tempra convenzionale (50%). In questa fase si formano ulteriori precipitati di carbonio, si rilassano le tensioni residue e le strutture dei grani si affinano. Al termine del mantenimento, gli stampi vengono sottoposti al rinvenimento per stabilizzare la martensite.

Allungare la vita utile di uno stampo

I trattamenti termici sono i principali processi che permettono di implementare le caratteristiche di durezza e resistenza degli stampi. È importante però considerare che i trattamenti superficiali possono influenzare le performance tenendo in considerazione numerose variabili come: materiali utilizzati, componenti, qualità, durata dei cicli di lavorazione, volume dei pezzi e manutenzione degli stampi stessi. Alcuni trattamenti termici nel tempo hanno trovato nuove tecnologie per la loro applicazione che ne permettessero una riuscita migliore, come ad esempio la tempra che, in alcune aziende, viene eseguita attraverso il laser permettendo di indurire l’acciaio in zone localizzate, eliminando deformazioni e potenziali curvature causate trattamenti termici. In questo modo, l’indurimento ottenuto permette di prolungare la durata di zone ad alta abrasione con linee di separazione nette, eliminare usure adesive ed estendere la durata degli stampi, rendendo questa tecnica utile ed efficace anche per stampi di piccoli dimensioni.

Questo è un semplice esempio di come queste tecnologie, ormai consolidate, cercano in continuazione di evolversi e migliorarsi per poter implementare le caratteristiche attribuibili alle superfici e allo stesso tempo ridurre sia l’impatto economico che ambientale o di sicurezza dell’ambiente id lavoro. In alcuni casi, questi trattamenti termici sono seguiti da trattamenti di rivestimento (e.g. cromo, nitruro di cormo) e/o di finitura (e.g. sabbiatura) in modo che combinando diverse tecniche le performance vengano implementate, così che un singolo stampo possa avere una vita utile maggiore permettendo una riduzione del numero di stampi necessari nel tempo e di conseguenza dei costi correlati.

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