Programmi complessi di trattamento termico, o “cicli”, sono spesso ideati dai metallurgisti per ottimizzare le proprietà meccaniche di una lega. Nell’industria aerospaziale, una superlega può essere sottoposta a cinque o più trattamenti termici diversi per sviluppare le proprietà desiderate. Questo può portare a problemi di qualità a seconda della precisione dei controlli della temperatura del forno e del timer. Queste operazioni possono essere solitamente divise in diverse tecniche di base.
RicotturaModifica
La ricottura consiste nel riscaldare un metallo ad una temperatura specifica e poi raffreddarlo ad una velocità che produrrà una microstruttura raffinata, separando completamente o parzialmente i costituenti. La velocità di raffreddamento è generalmente lenta. La ricottura è più spesso usata per ammorbidire un metallo per la lavorazione a freddo, per migliorare la lavorabilità, o per migliorare proprietà come la conducibilità elettrica.
Nelle leghe ferrose, la ricottura è solitamente realizzata riscaldando il metallo oltre la temperatura critica superiore e poi raffreddando molto lentamente, con conseguente formazione di perlite. Sia nei metalli puri che in molte leghe che non possono essere trattate termicamente, la ricottura è usata per rimuovere la durezza causata dalla lavorazione a freddo. Il metallo viene riscaldato a una temperatura in cui può avvenire la ricristallizzazione, riparando così i difetti causati dalla deformazione plastica. In questi metalli, la velocità di raffreddamento di solito ha poco effetto. La maggior parte delle leghe non ferrose che sono trattabili termicamente sono anche ricotte per alleviare la durezza della lavorazione a freddo. Queste possono essere raffreddate lentamente per permettere la precipitazione completa dei costituenti e produrre una microstruttura raffinata.
Le leghe ferrose sono solitamente “ricotte complete” o “ricotte di processo”. La ricottura completa richiede velocità di raffreddamento molto lente, al fine di formare perlite grossolana. Nella ricottura di processo, la velocità di raffreddamento può essere più veloce; fino alla normalizzazione. L’obiettivo principale della ricottura di processo è di produrre una microstruttura uniforme. Le leghe non ferrose sono spesso sottoposte a una varietà di tecniche di ricottura, tra cui “ricottura di ricristallizzazione”, “ricottura parziale”, “ricottura completa” e “ricottura finale”. Non tutte le tecniche di ricottura coinvolgono la ricristallizzazione, come la distensione.
NormalizzazioneModifica
La normalizzazione è una tecnica usata per fornire uniformità nella dimensione dei grani e nella composizione (cristalli equiaxed) in tutta una lega. Il termine è spesso usato per leghe ferrose che sono state austenitizzate e poi raffreddate all’aria aperta. La normalizzazione non solo produce perlite ma anche martensite e a volte bainite, che dà un acciaio più duro e più forte ma con meno duttilità per la stessa composizione rispetto alla ricottura completa.
Nel processo di normalizzazione il processo di riscaldamento dell’acciaio a circa 40 gradi Celsius sopra il suo limite superiore di temperatura critica tenuto a questa temperatura per qualche tempo e poi raffreddato in aria.
Sollecitazione dello stressModifica
La distensione è una tecnica per rimuovere o ridurre le sollecitazioni interne create nel metallo. Queste tensioni possono essere causate in diversi modi, dalla lavorazione a freddo al raffreddamento non uniforme. La distensione è solitamente realizzata riscaldando un metallo al di sotto della temperatura critica inferiore e poi raffreddandolo uniformemente. La distensione è comunemente usata su oggetti come serbatoi d’aria, caldaie e altri recipienti a pressione, per rimuovere tutte le tensioni create durante il processo di saldatura.
InvecchiamentoModifica
Alcuni metalli sono classificati come metalli da indurimento per precipitazione. Quando una lega da indurimento per precipitazione viene temprata, i suoi elementi di lega saranno intrappolati in soluzione, dando come risultato un metallo morbido. L’invecchiamento di un metallo “solubilizzato” permetterà agli elementi di lega di diffondersi attraverso la microstruttura e formare particelle intermetalliche. Queste particelle intermetalliche si nucleano e cadono dalla soluzione e agiscono come una fase di rinforzo, aumentando così la resistenza della lega. Le leghe possono invecchiare “naturalmente” nel senso che i precipitati si formano a temperatura ambiente, o possono invecchiare “artificialmente” quando i precipitati si formano solo a temperature elevate. In alcune applicazioni, le leghe che invecchiano naturalmente possono essere conservate in un congelatore per prevenire l’indurimento fino a dopo ulteriori operazioni – l’assemblaggio di rivetti, per esempio, può essere più facile con una parte più morbida.
Esempi di leghe che induriscono per precipitazione includono la serie 2000, la serie 6000 e la serie 7000 di alluminio, così come alcune superleghe e alcuni acciai inossidabili. Gli acciai che si induriscono per invecchiamento sono tipicamente indicati come acciai da invecchiamento, da una combinazione del termine “invecchiamento della martensite.”
TempraModifica
La tempra è un processo di raffreddamento di un metallo ad un ritmo rapido. Questo viene fatto più spesso per produrre una trasformazione di martensite. Nelle leghe ferrose, questo produrrà spesso un metallo più duro, mentre le leghe non ferrose diventeranno solitamente più morbide del normale.
Per indurire per tempra, un metallo (di solito acciaio o ghisa) deve essere riscaldato sopra la temperatura critica superiore e poi rapidamente raffreddato. A seconda della lega e di altre considerazioni (come la preoccupazione per la massima durezza contro la rottura e la distorsione), il raffreddamento può essere fatto con aria forzata o altri gas (come l’azoto). Si possono usare liquidi, a causa della loro migliore conducibilità termica, come olio, acqua, un polimero sciolto in acqua o una salamoia. Dopo essere stata raffreddata rapidamente, una parte dell’austenite (dipendente dalla composizione della lega) si trasformerà in martensite, una struttura cristallina dura e fragile. La durezza temprata di un metallo dipende dalla sua composizione chimica e dal metodo di tempra. Le velocità di raffreddamento, dal più veloce al più lento, vanno dalla salamoia, al polimero (cioè miscele di acqua + polimeri glicolici), all’acqua dolce, all’olio e all’aria forzata. Tuttavia, lo spegnimento troppo veloce di certi acciai può provocare cricche, motivo per cui gli acciai ad alta resistenza come l’AISI 4140 dovrebbero essere spenti in olio, gli acciai per utensili come l’ISO 1.2767 o l’acciaio per utensili H13 dovrebbero essere spenti in aria forzata, e gli acciai a bassa lega o a media resistenza come l’XK1320 o l’AISI 1040 dovrebbero essere spenti in salamoia.
Anche alcune leghe Beta a base di titanio hanno mostrato tendenze simili di aumento della resistenza attraverso il raffreddamento rapido. Tuttavia, la maggior parte dei metalli non ferrosi, come le leghe di rame, alluminio o nichel, e alcuni acciai altamente legati come l’acciaio inossidabile austenitico (304, 316), producono un effetto opposto quando sono raffreddati: si ammorbidiscono. Gli acciai inossidabili austenitici devono essere temprati per diventare completamente resistenti alla corrosione, in quanto si induriscono significativamente.
TempraModifica
L’acciaio martensitico non temprato, anche se molto duro, è troppo fragile per essere utile per la maggior parte delle applicazioni. Un metodo per alleviare questo problema è chiamato tempra. La maggior parte delle applicazioni richiede che le parti temprate siano rinvenute. Il rinvenimento consiste nel riscaldare l’acciaio al di sotto della temperatura critica inferiore (spesso da 400˚F a 1105˚F o da 205˚C a 595˚C, a seconda dei risultati desiderati), per conferire una certa tenacità. Temperature di rinvenimento più elevate (forse fino a 1.300˚F o 700˚C, a seconda della lega e dell’applicazione) sono talvolta utilizzate per conferire ulteriore duttilità, anche se si perde un po’ di resistenza allo snervamento.
Il rinvenimento può essere eseguito anche su acciai normalizzati. Altri metodi di rinvenimento consistono nell’estinguere ad una temperatura specifica, che è al di sopra della temperatura di inizio della martensite, e poi mantenerla fino a quando la bainite pura può formarsi o le tensioni interne possono essere alleviate. Questi includono l’austempering e il martempering.
Colori di rinvenimentoModifica
L’acciaio che è stato appena macinato o lucidato formerà strati di ossido quando riscaldato. Ad una temperatura molto specifica, l’ossido di ferro formerà uno strato con uno spessore molto specifico, causando un’interferenza a film sottile. Questo fa sì che i colori appaiano sulla superficie dell’acciaio. Man mano che la temperatura aumenta, lo strato di ossido di ferro cresce di spessore, cambiando il colore. Questi colori, chiamati colori di tempra, sono stati usati per secoli per misurare la temperatura del metallo.
- 350˚F (176˚C), giallo chiaro
- 400˚F (204˚C), paglierino
- 440˚F (226˚C), paglierino scuro
- 500˚F (260˚C), marrone
- 540˚F (282˚C), viola
- 590˚F (310˚C), blu scuro
- 640˚F (337˚C), blu chiaro
I colori di tempra possono essere usati per giudicare le proprietà finali dell’acciaio temprato. Gli utensili molto duri sono spesso temperati nella gamma dal chiaro al paglierino scuro, mentre le molle sono spesso temperate al blu. Tuttavia, la durezza finale dell’acciaio temprato varia a seconda della composizione dell’acciaio. L’acciaio per utensili ad alto tenore di carbonio rimarrà molto più duro dopo il rinvenimento rispetto all’acciaio per molle (con un tenore di carbonio leggermente inferiore) quando temperato alla stessa temperatura. La pellicola di ossido aumenterà anche di spessore nel tempo. Pertanto, l’acciaio che è stato tenuto a 400˚F per un tempo molto lungo può diventare marrone o viola, anche se la temperatura non ha mai superato quella necessaria per produrre un colore paglierino chiaro. Altri fattori che influenzano il risultato finale sono i film di olio sulla superficie e il tipo di fonte di calore usata.
Trattamento termico selettivoModifica
Molti metodi di trattamento termico sono stati sviluppati per alterare le proprietà solo di una parte di un oggetto. Questi tendono a consistere o nel raffreddamento di diverse aree di una lega a velocità diverse, riscaldando rapidamente in un’area localizzata e poi temprando, per diffusione termochimica, o temprando diverse aree di un oggetto a temperature diverse, come nella tempra differenziale.
Tempra differenzialeModifica
Alcune tecniche permettono a diverse aree di un singolo oggetto di ricevere diversi trattamenti termici. Questo è chiamato indurimento differenziale. È comune in coltelli e spade di alta qualità. Il jian cinese è uno dei primi esempi conosciuti di questo, e la katana giapponese può essere la più conosciuta. Il Khukuri nepalese è un altro esempio. Questa tecnica usa uno strato isolante, come strati di argilla, per coprire le aree che devono rimanere morbide. Le aree da temprare vengono lasciate esposte, permettendo solo ad alcune parti dell’acciaio di indurirsi completamente quando vengono temprate.
Tempra alla fiammaModifica
La tempra alla fiamma è usata per indurire solo una parte del metallo. A differenza della tempra differenziale, dove l’intero pezzo viene riscaldato e poi raffreddato a diverse velocità, nella tempra a fiamma, solo una parte del metallo viene riscaldata prima di essere temprata. Questo è di solito più facile di tempra differenziale, ma spesso produce una zona estremamente fragile tra il metallo riscaldato e il metallo non riscaldato, come il raffreddamento al bordo di questa zona colpita dal calore è estremamente rapido.
Tempra a induzioneModifica
La tempra a induzione è una tecnica di tempra superficiale in cui la superficie del metallo è riscaldata molto rapidamente, utilizzando un metodo di riscaldamento a induzione senza contatto. La lega viene poi raffreddata, producendo una trasformazione di martensite in superficie, lasciando invariato il metallo sottostante. Questo crea una superficie molto dura e resistente all’usura, mantenendo la giusta tenacità nella maggior parte dell’oggetto. I perni degli alberi a gomito sono un buon esempio di una superficie temprata a induzione.
CementazioneModifica
La cementazione è un processo di diffusione termochimica in cui un elemento legante, più comunemente carbonio o azoto, si diffonde nella superficie di un metallo monolitico. La soluzione solida interstiziale risultante è più dura del materiale di base, il che migliora la resistenza all’usura senza sacrificare la tenacità.
L’ingegneria di superficie del laser è un trattamento di superficie con alta versatilità, selettività e nuove proprietà. Poiché la velocità di raffreddamento è molto alta nel trattamento laser, il vetro metallico metastabile può essere ottenuto con questo metodo.
Trattamento freddo e criogenicoModifica
Anche se la tempra dell’acciaio provoca la trasformazione dell’austenite in martensite, tutta l’austenite di solito non si trasforma. Alcuni cristalli di austenite rimangono invariati anche dopo la tempra al di sotto della temperatura di finitura della martensite (Mf). Un’ulteriore trasformazione dell’austenite in martensite può essere indotta raffreddando lentamente il metallo a temperature estremamente basse. Il trattamento a freddo consiste generalmente nel raffreddare l’acciaio a circa -115˚F (-81˚C), ma non elimina tutta l’austenite. Il trattamento criogenico consiste di solito nel raffreddamento a temperature molto più basse, spesso nell’intervallo di -315˚F (-192˚C), per trasformare la maggior parte dell’austenite in martensite.
I trattamenti a freddo e criogenici sono di solito effettuati immediatamente dopo la tempra, prima di qualsiasi rinvenimento, e aumentano la durezza, la resistenza all’usura e riducono le tensioni interne nel metallo ma, poiché è davvero un’estensione del processo di tempra, può aumentare le possibilità di cricche durante la procedura. Il processo è spesso usato per utensili, cuscinetti o altri articoli che richiedono una buona resistenza all’usura. Tuttavia, di solito è efficace solo negli acciai ad alto contenuto di carbonio o ad alta lega in cui più del 10% di austenite è conservato dopo il quenching.
DecarburazioneModifica
Il riscaldamento dell’acciaio è talvolta usato come metodo per modificare il contenuto di carbonio. Quando l’acciaio è riscaldato in un ambiente ossidante, l’ossigeno si combina con il ferro per formare uno strato di ossido di ferro, che protegge l’acciaio dalla decarburazione. Quando l’acciaio si trasforma in austenite, tuttavia, l’ossigeno si combina con il ferro per formare una scoria, che non fornisce alcuna protezione dalla decarburazione. La formazione di scorie e incrostazioni aumenta effettivamente la decarburazione, perché l’ossido di ferro mantiene l’ossigeno in contatto con la zona di decarburazione anche dopo che l’acciaio è spostato in un ambiente senza ossigeno, come i carboni di una forgia. Così, gli atomi di carbonio iniziano a combinarsi con le incrostazioni e le scorie circostanti per formare monossido di carbonio e biossido di carbonio, che viene rilasciato nell’aria.
L’acciaio contiene una percentuale relativamente piccola di carbonio, che può migrare liberamente all’interno del ferro gamma. Quando l’acciaio austenitizzato è esposto all’aria per lunghi periodi di tempo, il contenuto di carbonio nell’acciaio può essere abbassato. Questo è l’opposto di quello che succede quando l’acciaio viene riscaldato in un ambiente riducente, in cui il carbonio si diffonde lentamente nel metallo. In un ambiente ossidante, il carbonio può facilmente diffondersi verso l’esterno, quindi l’acciaio austenitizzato è molto suscettibile alla decarburazione. Questo è spesso usato per l’acciaio fuso, dove un alto contenuto di carbonio è necessario per la fusione, ma un contenuto di carbonio più basso è desiderato nel prodotto finito. È spesso usato su ghise per produrre ghisa malleabile, in un processo chiamato “rinvenimento bianco”. Questa tendenza a decarburare è spesso un problema in altre operazioni, come la fabbrizzazione, dove diventa più desiderabile austenizzare l’acciaio per il minor tempo possibile per prevenire troppa decarburazione.