Il trattamento termico è il processo di riscaldamento e raffreddamento dei metalli, utilizzando metodi specifici predeterminati per ottenere le proprietà desiderate. Sia i metalli ferrosi che quelli non ferrosi sono sottoposti a un trattamento termico prima di metterli in uso.
Nel tempo, sono stati sviluppati molti metodi diversi. Ancora oggi, i metallurgisti lavorano costantemente per migliorare i risultati e l’efficienza dei costi di questi processi.
Per questo sviluppano nuovi programmi o cicli per produrre una varietà di gradi. Ogni programma si riferisce a un diverso tasso di riscaldamento, mantenimento e raffreddamento del metallo.
Questi metodi, se seguiti meticolosamente, possono produrre metalli di diversi standard con proprietà fisiche e chimiche notevolmente specifiche.
I vantaggi
Ci sono varie ragioni per eseguire il trattamento termico. Alcune procedure rendono il metallo morbido, mentre altre aumentano la durezza. Possono anche influenzare la conduttività elettrica e termica di questi materiali.
Alcuni metodi di trattamento termico alleviano le tensioni indotte nei precedenti processi di lavorazione a freddo. Altri sviluppano proprietà chimiche desiderabili per i metalli. La scelta del metodo perfetto dipende dal tipo di metallo e dalle proprietà richieste.
In alcuni casi, una parte metallica può passare attraverso diverse procedure di trattamento termico. Per esempio, alcune superleghe usate nell’industria aeronautica possono subire fino a sei diverse fasi di trattamento termico per ottimizzarle per l’applicazione.
Passi del processo di trattamento termico
In termini semplici, il trattamento termico è il processo di riscaldare il metallo, mantenerlo a quella temperatura e poi raffreddarlo nuovamente. Durante il processo, la parte metallica subirà dei cambiamenti nelle sue proprietà meccaniche. Questo perché l’alta temperatura altera la microstruttura del metallo. E la microstruttura gioca un ruolo importante nelle proprietà meccaniche di un materiale.
Il risultato finale dipende da molti fattori diversi. Questi includono il tempo di riscaldamento, il tempo di mantenimento della parte metallica a una certa temperatura, il tasso di raffreddamento, le condizioni circostanti, ecc. I parametri dipendono dal metodo di trattamento termico, dal tipo di metallo e dalle dimensioni del pezzo.
Nel corso di questo processo, le proprietà del metallo cambieranno. Tra queste proprietà ci sono la resistenza elettrica, il magnetismo, la durezza, la tenacità, la duttilità, la fragilità e la resistenza alla corrosione.
Riscaldamento
Come abbiamo già discusso, la microstruttura delle leghe cambia durante il trattamento termico. Il riscaldamento viene effettuato in linea con un profilo termico prescritto.
Una lega può esistere in uno dei tre diversi stati quando viene riscaldata. Può essere una miscela meccanica, una soluzione solida, o una combinazione di entrambi.
Una miscela meccanica è analoga a una miscela di cemento dove il cemento lega insieme sabbia e ghiaia. Sabbia e ghiaia sono ancora visibili come particelle separate. Con le leghe metalliche, la miscela meccanica è tenuta insieme dal metallo di base.
D’altra parte, in una soluzione solida, tutti i componenti sono mescolati omogeneamente. Questo significa che non possono essere identificati individualmente nemmeno al microscopio.
Ogni stato porta con sé diverse qualità. È possibile cambiare lo stato attraverso il riscaldamento secondo il diagramma di fase. Il raffreddamento, però, determina il risultato finale. È possibile che la lega finisca in uno dei tre stati, a seconda del solo metodo.
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Tenuta
Durante la tenuta, o fase di ammollo, il metallo è mantenuto alla temperatura raggiunta. La durata di questo dipende dai requisiti.
Per esempio, la cementazione richiede solo cambiamenti strutturali alla superficie del metallo per aumentare la durezza superficiale. Allo stesso tempo, altri metodi hanno bisogno di proprietà uniformi. In questo caso, il periodo di mantenimento è più lungo.
Il tempo di immersione dipende anche dal tipo di materiale e dalle dimensioni del pezzo. Le parti più grandi hanno bisogno di più tempo quando le proprietà uniformi sono l’obiettivo. Ci vuole semplicemente più tempo perché il nucleo di un pezzo grande raggiunga la temperatura richiesta.
Raffreddamento
Dopo che la fase di ammollo è completa, il metallo deve essere raffreddato in modo prescritto. Anche in questa fase si verificano dei cambiamenti strutturali. Una soluzione solida al raffreddamento può rimanere la stessa, diventare una miscela meccanica completamente o parzialmente, a seconda di vari fattori.
Diversi mezzi come salamoia, acqua, olio o aria forzata controllano la velocità di raffreddamento. La sequenza dei mezzi di raffreddamento nominati sopra è in ordine decrescente di velocità effettiva di raffreddamento. La salamoia assorbe il calore più velocemente, mentre l’aria è la più lenta.
È anche possibile usare forni nel processo di raffreddamento. L’ambiente controllato permette un’alta precisione quando è necessario un raffreddamento lento.
Diagrammi di fase
Ogni lega metallica ha il suo diagramma di fase. Come già detto, il trattamento termico si fa secondo questi diagrammi. Mostrano i cambiamenti strutturali che avvengono a diverse temperature e diverse composizioni chimiche.
Utilizziamo il diagramma di fase ferro-carbonio come esempio, poiché è il più conosciuto e ampiamente insegnato nelle università.
Il diagramma di fase ferro-carbonio è uno strumento importante per conoscere il comportamento dei diversi acciai al carbonio quando sono sottoposti a trattamento termico. L’asse x mostra il contenuto di carbonio nella lega e l’asse y mostra la temperatura.
Nota che il 2,14% di carbonio è il limite dove l’acciaio diventa ghisa,
Il diagramma mostra varie regioni dove il metallo esiste in diversi microstati come austenite, cementite, perlite. Queste regioni sono segnate dai confini A1, A2, A3 e Acm. In queste interfacce, i cambiamenti di fase si verificano quando la temperatura o il valore del contenuto di carbonio li attraversa.
A1: Il limite superiore della fase cementite/ferrite.
A2: Il limite dove il ferro perde il suo magnetismo. La temperatura alla quale un metallo perde il suo magnetismo è anche chiamata temperatura di Curie.
A3: L’interfaccia che separa la fase Austenite + Ferrite dalla fase γ (Gamma) austenite.
Acm: L’interfaccia che separa la fase γ Austenite dalla fase Austenite + Cementite.
Il diagramma di fase è uno strumento importante per considerare se il trattamento termico sarà vantaggioso o meno. Ogni struttura porta certe qualità al prodotto finale e la scelta del trattamento termico è fatta in base a questo.
Metodi comuni di trattamento termico
Ci sono parecchie tecniche di trattamento termico da scegliere. Ognuna di esse porta con sé certe qualità.
I metodi di trattamento termico più comuni includono:
- Cottura
- Normalizzazione
- Indurimento
- Invecchiamento
- Sollecitazione
- Temperatura
- Carburazione
Cottura
Nella ricottura, il metallo viene riscaldato oltre la temperatura critica superiore e poi raffreddato a bassa velocità.
La ricottura viene effettuata per ammorbidire il metallo. Rende il metallo più adatto alla lavorazione a freddo e alla formatura. Migliora anche la lavorabilità, la duttilità e la tenacità del metallo.
La ricottura è anche utile per alleviare le tensioni nel pezzo causate da precedenti processi di lavorazione a freddo. Le deformazioni plastiche presenti vengono rimosse durante la ricristallizzazione quando la temperatura del metallo supera la temperatura critica superiore.
I metalli possono essere sottoposti a una pletora di tecniche di ricottura come la ricottura di ricristallizzazione, la ricottura completa, la ricottura parziale e la ricottura finale.
Normalizzazione
La normalizzazione è un processo di trattamento termico usato per alleviare le tensioni interne causate da processi come la saldatura, la fusione o la tempra.
In questo processo, il metallo viene riscaldato a una temperatura di 40° C superiore alla sua temperatura critica superiore.
Questa temperatura è più alta di quella usata per la tempra o la ricottura. Dopo averla tenuta a questa temperatura per un determinato periodo di tempo, viene raffreddata in aria. La normalizzazione crea una granulometria e una composizione uniforme in tutto il pezzo.
Gli acciai normalizzati sono più duri e più forti dell’acciaio ricotto. Infatti, nella sua forma normalizzata, l’acciaio è più duro che in qualsiasi altra condizione. Questo è il motivo per cui le parti che richiedono resistenza agli urti o che devono sostenere carichi esterni massicci saranno quasi sempre normalizzate.
Indurimento
Il processo di trattamento termico più comune di tutti, l’indurimento è usato per aumentare la durezza di un metallo. In alcuni casi, solo la superficie può essere indurita.
Un pezzo viene indurito riscaldandolo alla temperatura specificata, quindi raffreddandolo rapidamente immergendolo in un mezzo di raffreddamento. Si può usare olio, salamoia o acqua. Il pezzo risultante avrà una maggiore durezza e resistenza, ma la fragilità aumenta troppo simultaneamente.
La cementazione è un tipo di processo di tempra in cui viene indurito solo lo strato esterno del pezzo. Il processo utilizzato è lo stesso, ma poiché uno strato esterno sottile è sottoposto al processo, il pezzo risultante ha uno strato esterno duro ma un nucleo più morbido.
Questo è comune per gli alberi. Uno strato esterno duro lo protegge dall’usura del materiale. Quando si monta un cuscinetto su un albero, si può altrimenti danneggiare la superficie e dislocare alcune particelle che poi accelerano il processo di usura. Una superficie indurita fornisce protezione da ciò e il nucleo ha ancora le proprietà necessarie per gestire le sollecitazioni di fatica.
Induzione
Altri tipi di processi di tempra includono la tempra a induzione, la tempra differenziale e la tempra alla fiamma. La tempra alla fiamma, tuttavia, può risultare in una zona colpita dal calore che si crea una volta che la parte viene raffreddata.
Invecchiamento
L’invecchiamento o indurimento per precipitazione è un metodo di trattamento termico usato principalmente per aumentare la resistenza allo snervamento dei metalli malleabili. Il processo produce particelle uniformemente disperse all’interno della struttura del grano di un metallo che portano a cambiamenti nelle proprietà.
L’indurimento per precipitazione di solito viene dopo un altro processo di trattamento termico che raggiunge temperature più alte. L’invecchiamento, invece, eleva solo la temperatura a livelli medi e la riporta rapidamente verso il basso.
Alcuni materiali possono invecchiare naturalmente (a temperatura ambiente) mentre altri invecchiano solo artificialmente, cioè a temperature elevate. Per i materiali che invecchiano naturalmente, può essere conveniente conservarli a temperature più basse.
Sollecitazione
Sollecitazione è particolarmente comune per parti di caldaie, bombole d’aria, accumulatori, ecc. Questo metodo porta il metallo a una temperatura appena sotto il suo confine critico inferiore. Il processo di raffreddamento è lento e quindi uniforme.
Questo viene fatto per alleviare le tensioni che si sono accumulate nelle parti a causa di processi precedenti come la formatura, la lavorazione, la laminazione o la raddrizzatura.
Temperatura
La tempera è il processo di riduzione della durezza in eccesso, e quindi della fragilità, indotta durante il processo di tempra. Anche le tensioni interne vengono alleggerite. Subire questo processo può rendere un metallo adatto a molte applicazioni che richiedono tali proprietà.
Le temperature sono di solito molto più basse di quelle di tempra. Più alta è la temperatura utilizzata, più morbido diventa il pezzo finale. La velocità di raffreddamento non influenza la struttura del metallo durante il rinvenimento e di solito, il metallo si raffredda in aria calma.
Carburazione
Carburazione in caso
In questo processo di trattamento termico, il metallo viene riscaldato in presenza di un altro materiale che rilascia carbonio alla decomposizione.
Il carbonio rilasciato viene assorbito nella superficie del metallo. Il contenuto di carbonio della superficie aumenta, rendendolo più duro del nucleo interno.
Quali metalli sono adatti al trattamento termico?
Anche se i metalli ferrosi rappresentano la maggior parte dei materiali trattati termicamente, anche le leghe di rame, magnesio, alluminio, nichel, ottone e titanio possono essere trattati termicamente.
Circa l’80% dei metalli trattati termicamente sono diversi tipi di acciaio. I metalli ferrosi che possono essere trattati termicamente includono la ghisa, l’acciaio inossidabile e vari tipi di acciaio per utensili.
Processi come la tempra, la ricottura, la normalizzazione, la distensione, la cementazione, la nitrurazione e la tempra sono generalmente eseguiti sui metalli ferrosi.
Il rame e le leghe di rame sono sottoposti a metodi di trattamento termico come la ricottura, l’invecchiamento e la tempra.
L’alluminio è adatto a metodi di trattamento termico come la ricottura, il trattamento termico in soluzione, l’invecchiamento naturale e artificiale. Il trattamento termico dell’alluminio è un processo di precisione. La portata del processo deve essere stabilita e deve essere controllata attentamente in ogni fase per le caratteristiche desiderate.
Evidentemente, non tutti i materiali sono adatti alle forme di trattamento termico. Allo stesso modo, un singolo materiale non beneficerà necessariamente di ogni metodo. Pertanto, ogni materiale dovrebbe essere studiato separatamente per ottenere il risultato desiderato. Usare i diagrammi di fase e le informazioni disponibili sull’effetto che hanno i metodi menzionati è il punto di partenza.
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