TERMICI, TRATTAMENTI
TERMICI, TRATTAMENTI (XXXIII, p. 557)
TRATTAMENTI Trattamento termico dell'acciaio. - I più recenti progressi nel campo dei trattamenti termici dell'acciaio sono una conseguenza della migliore conoscenza teorica delle trasformazioni strutturali nel raffreddamento, soprattutto dello studio delle trasformazioni isotermiche, che hanno portato alla definizione delle cosiddette curve a S.
Le curve a S (così chiamate dalla loro forma, dette anche curve TTT, tempo-temperatura-trasformazione) indicano l'andamento della trasformazione isotermica dell'austenite in campioncini d'acciaio prima riscaldati nel campo austenitico, quindi rapidamente temprati in bagni mantenuti a temperature costanti, inferiori a quella critica. La fig. 1 illustra, a mo' d'esempio, l'andamento delle trasformazioni in un acciaio con o,78% C. Sull'asse delle ascisse sono riportati, in scala logaritmica, i tempi in secondi, su quello delle ordinate le temperature. La curva di sinistra è il luogo dei punti d'inizio della trasformazione, quella di destra dei punti di fine della trasformazione. Si nota che l'austenite sottoraffreddata richiede, per iniziare la trasformazione, un tempo d'incubazione che è funzione, oltre che della natura dell'acciaio, della temperatura: tale periodo d'incubazione è abbastanza lungo in prossimità della temperatura critica dell'acciaio, ma si riduce man mano col diminuire della temperatura, cioè coll'aumentare del sottoraffreddamento dell'austenite, fino a raggiungere un minimo, che normalmente cade in un campo di tempeartura attorno ai 550° C. Con l'ulteriore diminuire della temperatura aumenta la vita dell'austenite sottoraffreddata, la quale in un campo di temperatura in prossimità dei 350° C può rimanere inalterata per un periodo variabile da qualche minuto a parecchie ore, secondo la natura dell'acciaio.
Al disopra del naso della curva a S i prodotti di trasformazione sono lamellari: perlite a grosse lamelle alle temperature più alte, perlite via via più fine man mano che la temperatura si abbassa, sino ai prodotti nodulari, come la troostite, in prossimità del minimo.
In fig. 1 sono riportate le micrografie dei prodotti a metà trasformazione (fra le due curve) ed a trasformazione finita e le durezze (Brinell il valore disopra, Rockwell quello disotto). Nel campo di temperatura sotto al naso della curva sino al punto Ms la trasformazione isotermica dà luogo ad un costituente aciculare, fortemente scurito dai reattivi, a differenza della martensite, il quale prende il nome di bainite. Esso è caratterizzato da durezza elevata, accompagnata da una notevole tenacità.
Scendendo ulteriormente con la temperatura si passa nel campo martensitico, nel quale la trasformazione è caratterizzata da una cinetica differente: si ha infatti un intervallo di trasformazione, delimitato da due temperature Ms Mf, entro il quale ad ogni temperatura si stabilisce con grande rapidità un equilibrio fra austenite e martensite, con quantità di martensite dipendenti solo dalla temperatura e crescenti col diminuire di questa. Al disotto di Mf l'acciaio è completamente martensitico.
In parecchi acciai alligati, soprattutto al cromo, la curva ad s non ha un solo naso nei dintorni di 550°, ma due, di cui normalmente quello a temperatura inferiore si spinge a tempi minori.
Agli effetti della tempra degli acciai (fig. 2) gli elementi caratteristici della curva a S che assumono maggiore importanza sono: a) la temperatura Ti di minima stabilità dell'austenite nel campo intermedio di trasformazione nei dintorni di 550° C e la vita ti dell'austenite sottoraffreddata a questa temperatura prima di iniziare la trasformazione: più essa è breve, più energica deve essere la tempra per evitare prodotti di trasformazione relativamente dolci; b) la temperatura di massima stabilità dell'austenite nel campo di trasformazione bainitica poco al disopra del punto martensitico e la vita dell'austenite a questa temperatura; c) la temperatura Ms di inizio della trasformazione martensitica; d) la temperatura Mf di fine della trasformazione martensitica.
La conoscenza delle curve a S dei varî acciai ha permesso di precisare meglio le condizioni di buona riuscita dei trattamenti già noti e di trovarne dei nuovi. In fig. 2 sono schematizzati varî tipi di trattamento, in relazione con una curva a S tipica. Le curve di raffreddamento per ciascuno dei trattamenti illustrati coprono un certo campo delimitato dalle curve, tempo-temperatura del cuore del pezzo a destra, e della superficie a sinistra.
Curva di raffreddamento critica è quella tangente alla curva a S alla temperatura Ti. Con velocità di raffreddamento pari o superiore ad essa la struttura dopo tempra risulterà completamente martensitica; con velocità inferiori la struttura risulterà mista, se la curva di raffreddamento cadrà nella zona compresa fra le curve d'inizio e di fine trasformazione; se infine la curva di raffreddamento andrà a tagliare la curva di fine trasformazione, la struttura dopo raffreddamento sarà determinata dal punto in cui tale intersezione avviene.
Nelle condizioni prescelte per la fig. 2 lo spessore del pezzo è tale che, con la tempra in olio (tratteggio obliquo), la curva di raffreddamento della superficie passa a sinistra del naso della curva a S; pertanto la zona superficiale del pezzo avrà, completato il raffreddamento, struttura completamente martensitica: il cuore passa invece nel campo di trasformazione parziale perciò, a raffreddamento ultimato, esso avrà struttura mista: parte martensitica, parte troostitica. Per velocità di raffreddamento inferiori (pezzo più grosso o mezzo di tempra più blando), oppure con un acciaio a velocità critica di tempra più elevata (curva a S spostata più a sinistra) il cuore avrebbe potuto risultare completamente troostitico. Con la tempra in acqua (tratteggio verticale) si ha, nelle condizioni prescelte, tempra martensitica a cuore.
La fascia a tratteggio orizzontale illustra l'andamento del raffreddamento in una tempra termale (in bagno di sali o metalli fusi mantenuto a temperatura superiore al punto Ms). In questo caso le curve di raffreddamento si riferiscono a spessori assai minori di quelli relativi alle tempre in olio o in acqua, altrimenti sarebbe impossibile rimanere a sinistra della curva di raffreddamento critica. Con questo trattamento si ottiene dell'austenite sottoraffreddata a temperatura assai bassa e si apre la strada per eseguire due trattamenti ben distinti.
a) La tempra in due tempi (ingl. Martempering) consistente nel raffreddare il pezzo, a struttura austenitica sottoraffreddata, sino a temperatura ambiente, in un mezzo qualsiasi. si ottiene così della martensite, con il vantaggio, rispetto alle normali tempre, di far avvenire la trasformazione austenite-martensite in assenza delle tensioni termiche. A questo modo è possibile evitare le crepe di tempra in pezzi di forma complessa, o costruiti con acciai particolarmente sensibili a questo difetto.
b) Un nuovo trattamento, entrato in uso in seguito agli studî delle curve a S, e chiamato bonifica isotermica (ingl. Austempering), consiste nel mantenere il pezzo nel bagno di tempra o portarlo in un bagno a temperatura leggermente superiore sino al completamento della trasformazione isotermica della austenite in bainite. Si ottengono così, per determinate applicazioni, pezzi che associano una notevole durezza ad una certa tenacità. Concettualmente non differisce molto da questo trattamento il patentamento da tempo usato nell'industria della trafilatura, consistente in una tempra in bagno di piombo a 360-550° C; la trasformazione però avviene sul campo intermedio anziché in quello bainitico e si ottengono così strutture sorbitico-troostitiche. La conoscenza delle curve a S ha permesso la messa a punto di un moderno trattamento, derivato da quello già noto sotto il nome di tempra interrotta e consistente in un primo raffreddamento in un mezzo più energico, seguito da un altro in mezzo più blando. Il nuovo trattamento, la tempra Purnell, consiste nell'immergere il pezzo da temprare in un bagno sottoposto a violentissima agitazione per mezzo di speciali agitatori lasciandovelo per un tempo esattamente controllato, in modo da avere un raffreddamento parziale, che può portare, a scelta, alla formazione di martensite o di bainite; il rinvenimento segue immediatamente. Poiché ogni forma e dimensione del pezzo e ogni tipo d'acciaio esigono una particolare messa a punto dell'agitazione e del tempo di immersione, questo trattamento è caratteristico delle lavorazioni in grandi serie.
La posizione del punto Ms, di inizio della trasformazi0ne martensitica, varia in funzione della composizione chimica dell'acciaio: il carbonio in prima linea, in misura minore gli altri elementi, abbassano il punto Ms. Si è cercato di definire quantitativamente l'influenza dei varî elementi, ma tale tentativo non è riuscito appieno, poiché le variazioni non sono lineari in funzione delle composizioni centesimali e perché vi sono azioni reciproche fra i varî componenti. Tuttavia, come prima approssimazione, entro un certo campo di variabilità delle percentuali, una qualche indicazione si può avere dalla seguente formula del Carapella:
Ms = 496-319 C%-47 Mn%-17 Si%-23 Ni%-36 Cr%-15 Mo%-67 W%-62 Co%.
Il punto Mf si trova generalmente a temperature superiori a quella ambiente, ma per alcuni acciai alligati ad alto tenore di carbonio e per gli acciai rapidi esso è al disotto. Nella tempra di questi materiali la trasformazione è incompleta e rimane una certa quantità di austenite residua. Un trattamento sotto zero, a temperatura sufficiente a portare l'acciaio al disotto del punto Mf, ne provoca la trasformazione in martensite, con conseguente aumento della durezza.
Trattamenti di questo genere sono stati proposti per gli acciai rapidi e sembra che effettivamente si ottenga un aumento della durata dell'utensile inserendo un trattamento a −70° C fra un primo e un secondo rinvenimento a 560° C eseguiti dopo la tempra. Anche nel caso degli acciai per calibri il trattamento sotto zero, garantendo una completa trasformazione dell'austenite, evita le lente deformazioni che si verificano col trascorrere del tempo.
Le curve a S non sono state applicate solo ai trattamenti di tempra, ma anche a quelli di ricottura; la conoscenza esatta dei tempi di trasformazione nel campo perlitico superiore permette di sostituire i raffreddamenti lentissimi richiesti in taluni casi con una permanenza controllata a temperatura costante, seguìta da raffreddamento rapido.