Trattamenti termici per acciaio per stampi

trattamenti termici

I trattamenti termici identificano tutte le operazioni cui vengono sottoposti i metalli o le leghe metalliche per 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 e in particolare dal tenore di carbonio. 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.

A 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.

I processi vengono effettuati su pezzi solidi di materiale all’interno di ambienti stabili e dalle caratteristiche prestabilite.

In generale, i trattamenti termici si possono suddividere in tre fasi:

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

I principali trattamenti termici eseguiti sono i seguenti:

Tempra

Questo trattamento viene solitamente applicato agli acciai al carbonio e agli acciai legati. La tempra viene eseguita tramite il riscaldamento all’interno di un forno elettrico dei pezzi da trattare.

Le parti interessate dal trattamento vengono riscaldate all’interno del forno fino al raggiungimento della temperatura che determina l’instaurarsi della struttura cristallina e molecolare desiderata.

Le temperature raggiunte all’interno del forno vengono stabilite in funzione delle caratteristiche degli acciai che si stanno trattando e delle proprietà che desidera ottenere.

Le temperature massime che si raggiungono con questo tipo di trattamento sono pari a 1250 gradi °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 permettono di evitare la decarburazione superficiale dei pezzi sottoposti a trattamento.

Una volta raggiunta la temperatura desiderata, i pezzi trattati vengono mantenuti alla temperatura stabilita finché non viene raggiunta l’uniformità di temperatura in tutta la sezione dei pezzi e non siano avvenute le trasformazioni cristalline e molecolari desiderate.

trattamenti termici
Fig. 1 – Diagramma di ciclo termico per il trattamento di tempra.

Alla fase di riscaldamento succede una fase di brusco raffreddamento, necessaria 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 permette di ottenere una struttura martensitica, caratterizzata da alta durezza e fragilità, senza ossidi all’interno della struttura.

Durante il raffreddamento, il raffreddamento della parte esterna, a contatto con il mezzo temprante, si raffredda più rapidamente della parte interna.

Essa tende a 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 (fig. 1).

Tempra bainitica

È un trattamento eseguito sulla minuteria metallica realizzata in acciaio da bonifica. In genere viene applicato agli acciai da bonifica e prevede il riscaldamento dei pezzi da trattare alla temperatura di austenitizzazione in un forno a muffola con avanzamento automatico e in atmosfera di gas neutro.

Una volta raggiunta la temperatura stabilita, 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.

Lo scopo del processo è fare in modo che i pezzi acquisiscano specifiche proprietà d’impiego come la resistenza all’usura e alla fatica, l’incremento della resistenza meccanica, l’aumento della resilienza e dell’elasticità, senza intaccare i valori della durezza caratteristica fondamentale per i pezzi trattati con questo processo, quali molle, particolari per cinture di sicurezza, contatti elettrici, fermagli per penne, bulloni e viti e tutti quei particolari che hanno esigenza di elevata resilienza a parità di durezza.

Nitrurazione

Si applica agli acciai al carbonio e legati e si effettua attraverso il riscaldamento in forno elettrico dei particolari metallici con atmosfera tale da produrre un assorbimento d’azoto oppure d’azoto e carbonio (in questo caso il processo è denominato di nitrocarburazione) negli strati superficiali e con modificazione delle loro caratteristiche fisiche e chimiche.

Le temperature raggiunte all’interno del forno variano in funzione delle caratteristiche degli acciai che vengono trattati e delle proprietà di fine trattamento che s’intende conseguire.

trattamenti termiciLe temperature massime raggiunte sono pari a 570°C. Raggiunta la temperatura di riscaldamento desiderata, i particolari vengono fatti permanere per il tempo necessario a raggiungere uniformità di temperatura in ogni sua parte e si verifichi il trasferimento d’azoto dall’atmosfera del forno agli strati superficiali dei particolari trattati.

Una volta che l’azoto è stato assorbito, i particolari metallici vengono bruscamente raffreddati in un bagno di sale, d’olio oppure d’acqua.

I forni impiegati per questo trattamento sono del tipo ad atmosfera nitrurante, costituita da azoto liquefatto immesso sotto forma gassosa all’interno del forno, questo produce il trasferimento di carbonio dall’atmosfera stessa agli strati superficiali dei particolari trattati.

Cementazione

Trattamento termico di diffusione che arricchisce di carbonio la superficie dell’acciaio. A questa fase di diffusione, eseguita in fase austenitica, segue la tempra dell’acciaio. Attraverso questo processo si mira ad ottenere pezzi caratterizzati da durezza superficiale elevata, elevata resistenza all’usura, ma alo stesso tempo un cuore più tenero.

Il trattamento è eseguito in atmosfera e il mezzo maggiormente utilizzato è l’ossido di carbonio, raggiungendo, all’interno del forno, temperature variabili in funzione delle caratteristiche del tipo di acciaio che si sta trattando e delle proprietà che si vogliono ottenere a seguito del trattamento.

Le temperature massime raggiunte sono pari a 1050 gradi °C. Una volta raggiunta la temperatura di riscaldamento desiderata, i pezzi vengono mantenuti a una determinata temperatura all’interno del forno finché non si riscontra uniformità di temperatura in ogni loro parte in modo che si verifichi il trasferimento di carbonio dall’atmosfera del forno agli strati superficiali dei pezzi trattati.

Al termine dell’assorbimento del carbonio, i pezzi vengono bruscamente raffreddati in bagno di sale, d’olio oppure d’acqua in 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.

Rinvenimento

Si applica a tutti gli acciai al carbonio e legati che sono stati precedentemente sottoposti a un trattamento di tempra, cementazione e nitrurazione; di base ha lo scopo di ridurre la durezza e le tensioni generate all’interno dei pezzi a seguito dei trattamenti termici precedenti.

La fase di riscaldamento avviene in un forno elettrico a bagno di sale e ad atmosfera controllata atti ad evitare la decarburazione superficiale dei particolari trattati, raggiungendo temperature di riscaldamento comprese tra i 200 e 600 °C stabilite in funzione dei risultati d’addolcimento della struttura che si vuole ottenere.

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.

Ricottura

Applicata 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 ed assenza di tensioni interne indotte e desiderate.

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Fig. 2 – Diagramma di ciclo termico per il processo di ricottura.

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 alla temperatura ambiente lasciandoli raffreddare all’interno del forno impiegato per il riscaldamento (fig. 2).

Esistono diverse tecniche per la ricottura:

Ricottura di raddolcimento

Permette di eliminare più o meno completamente l’incrudimento dovuto alle deformazioni a freddo.

Ricottura di lavorabilità

Permette di addolcire il materiale rendendolo più lavorabile.

Ricottura di distensione

Permette di eliminare le tensioni interne provocate dai precedenti trattamenti di tempra.

Ricottura di stabilizzazione

Impiegata per evitare che eventuali riscaldamenti in esercizio provochino deformazioni.

Ricottura di globulizzazione

Permette di ottenere una invece di una struttura ferritica in blocchi divisi da “isole” di perlite, cementite globulare, aumentando così la lavorabilità e la stabilità al trattamento termico.

Ricottura completa o austenitica

Per affinare o omogeneizzare il grano austenitico. Ha effetto specialmente se molto prolungata al di sopra dell’intervallo critico.

Un ulteriore trattamento di ricottura molto importante è la ricottura per impieghi magnetici utilizzato per eliminare il magnetismo residuo presente sui pezzi, restringendo così la curva d’isteresi magnetica. Il suo impiego è legato soprattutto per stampanti, relais e nuclei.

Normalizzazione

È identico al trattamento di ricottura per quanto riguarda la fase di riscaldamento; la fase di raffreddamento, invece, viene eseguito in aria. Si tratta di un trattamento termico veloce ed economico rispetto alla ricottura poiché non vengono impiegati forni per la fase di raffreddamento.

Permette di affinare i grani dell’acciaio ottenendo delle strutture più fini rispetto all’impiego della ricottura completa. Permette inoltre di preparare i pezzi di grandi dimensioni o con forma complessa al trattamento di tempra successivo riducendone le deformazioni.

Fig. 3 – Diagramma di ciclo termico per il trattamento di normalizzazione.

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 (fig. 3).

di Mariangela Quarto