Trattamenti termici

1. Ricottura degli acciai.

Nel corso della sua storia, un acciaio si può trovare in stati di non equilibrio dovuti a dei precedenti trattamenti termici o meccanici. Ad esempio, si possono avere delle segregazioni durante il processo di solidificazione, un incrudimento per deformazione a freddo, degli sforzi residui durante la saldatura etc.. Diversi trattamenti termici sono adatti alla eliminazione od alla riduzione degli effetti nefasti di tali stati, in vista di operazioni ulteriori sul metallo o di utilizzazione corretta dell’acciaio.

Fra questi, le ricotture formano un insieme di trattamenti che mirano ad ottenere degli stati prossimi all’equilibrio termodinamico provocando la formazione di strutture ferrite-carburi dopo il passaggio in uno stato parzialmente o completamente austenitico.

Il ciclo di trattamento comprende:

· Un riscaldamento fino ad una temperatura, detta di trattamento, che dipende dal tipo di "correzione" che si deve realizzare ed è legata alle difficoltà energetiche dei processi che avvengono.

· Un mantenimento isotermico alla temperatura di trattamento, oppure con delle oscillazioni intorno a questa temperatura.

· Un raffreddamento all’aria calma oppure in forno secondo una legge programmata.

La velocità di raffreddamento deve essere in generale inferiore alla velocità critica di ricottura V3.

1.1. Tipi di ricottura.

· Ricottura completa, o ricottura.

Esso comprende un mantenimento a Ac3 + 50 °C per gli acciai ipoeutettoidici o Ac1 +50°C per gli acciai ipereutettoidici, seguito da un raffreddamento lento in forno soprattutto durante l’attraversamento dell’intervallo critico di trasformazione.

Nel caso degli acciai ipoeutettoidici, la ferrite e la perlite formate sono relativamente grossolane: la resistenza e la durezza sono basse . Nel caso degli ipereutettoidici, la globulizzazione parziale della cementite proeutettoidica permette di evitare l’aumento della fragilità dinamica legata alla presenza dei carburi nel reticolo intergranulare.

· Ricottura di omogenizzazione, o di diffusione.

· Ricottura di rigenerazione, o trattamento di affinazione strutturale.

I pezzi che hanno subito un trattamento di omogenizzazione per diffusione, le zone prossime ai giunti saldati, i pezzi forgiati ad alta temperatura, il cuore dei pezzi cementati, hanno spesso delle strutture surriscaldate. Tuttavia la presenza di elementi carburigeni o che favoriscono la formazione di nitruri (acciai calmati all’alluminio) può limitare l’ingrossamento del grano g.

Come schematizzato nella figura 1, gli acciai presentano all’attraversamento dell’intervallo critico una trasformazione che porta ad una moltiplicazione dei grani durante il riscaldamento: questo fenomeno permette la rigenerazione di una struttura surriscaldata. La ricottura di rigenerazione comprende:

· Normalizzazione.

Tale trattamento permette di ottenere delle strutture ferrito-perlitiche. La temperatura di mantenimento è più elevata che nella ricottura, e, nel caso degli acciai ipereutettoidici, supera Accm. Inoltre il raffreddamento effettuato in aria calma è più rapido rispetto a quello effettuato nel caso della ricottura completa. Le strutture ferrito-perlitiche ottenute corrispondono dunque a dei grani ferritici fini ed a distanze interlamellari piccole nella ferrite. Queste microstrutture molto omogenee possono essere desiderate nel caso di talune applicazioni meccaniche e costituiscono uno stato iniziale ideale per il trattamento di austenitizzazione antecedente la tempra.

1.1.2. Temperatura massima raggiunta inferiore a Ac1.

· Ricottura di addolcimento o di miglioramento della lavorabilità.

E’ una ricottura effettuata qualche decina di gradi al di sotto di Ac1 con un successivo raffreddamento lento per ottenere uno stato sufficientemente addolcito e, quindi, esente da sforzi residui.

Tale trattamento ha come obiettivo quello di migliorare la lavorabilità o l’attitudine alla deformazione a freddo, nel caso in cui solo lo sforzo di scorrimento plastico è importante (e non la capacità di deformazione).

· Ricottura di sferoidizzazione o di globulizzazione.

Se nell’attitudine alla deformazione a freddo si deve tenere conto della capacità di deformazione, si cerca in generale di ottenere una struttura globulizzata della cementite.

La ricottura di globulizzazione comprende successivamente:

- Un riscaldamento giusto al di sopra di Ac1.

- Un mantenimento prolungato a questa temperatura (o eventualmente una serie di raffreddamenti e di riscaldamenti fra due temperature vicine situate da una parte e dall’altra di Ac1, ricottura oscillante).

- Un raffreddamento lento, in modo da ottenere una coalescenza spinta della cementite.

La figura 2 mostra schematicamente il processo di sferoidizzazione della cementite a partire da una perlite

lamellare. La sferoidizzazione può anche essere ottenuta molto più facilmente mediante un rinvenimento

Figura 2

· Trattamento di restaurazione e di recristallizzazione.

La lavorazione a freddo di un metallo per deformazione plastica (ad esempio, la laminazione), comporta un incrudimento del metallo. Una struttura incrudita è caratterizzata da una forte deformazione orientata dei grani ed, anche, da una scomparsa dei bordi dei grani. Una struttura incrudita contiene una densità di difetti molto elevata, in particolar modo di lacune e di dislocazioni.

Dal punto di vista macroscopico, l’incrudimento di un metallo comporta un aumento di Rm, Re, della durezza ed una diminuzione di A% e della resilienza.

Un metallo incrudito diviene fragile ed è spesso necessario procedere a dei trattamenti per utilizzare il metallo o per poter continuare la lavorazione a freddo. Ad esempio, se si richiede un tasso di riduzione del 60% e la fessurazione avviene per un tasso di riduzione del 20%, si dovranno eseguire due operazioni intermedie durante la lavorazione. La figura 3 mostra l’influenza dell’innalzamento della temperatura sulla durezza di un metallo incrudito, in cui la curva (I) corrisponde al caso in cui si abbia deconsolidamento senza invecchiamento, e la curva (II) invece corrisponde al caso in cui si ha il deconsolidamento con una zona di indurimento per invecchiamento (caratteristico delle soluzioni solide interstiziali , come la ferrite con C ed N).

Figura 3

Si possono distinguere due tipi di trattamento, in funzione dell’intervallo di temperatura raggiunto:

- Il trattamento di restaurazione, che consiste in una ricottura ad una temperatura superiore a quella di

recristallizzazione, e permette di restaurare in parte o completamente le proprietà fisiche o meccaniche

senza alcuna modificazione apparente della struttura. Non si ha la formazione di nuovi grani ed il processo si svolge regolarmente.

Durante tale processo si hanno dei diversi processi, quali l’annichilimento parziale delle lacune e delle dislocazioni, ed il riarrangiamento in pareti di certe dislocazioni che limitano dei blocchi cristallini debolmente disorientati e quasi perfetti (fenomeno della poligonalizzazione).