Trattamenti termici degli acciai
Il trattamento termico è una combinazione di operazioni di riscaldamento e raffreddamento che modifica le caratteristiche meccaniche dell’acciaio quali resistenza, durezza, duttilità, tenacità e resilienza.
I trattamenti termici che verranno affrontati sono:
• Bonifica
• Cementazione/Carbonitrurazione
I trattamenti termici summenzionati vengono effettuati sugli acciai, che, nella loro forma più semplice, possono essere definiti leghe di ferro (Fe) e carbonio (C)
1. STRUTTURA DEI METALLI: GRANI CRISTALLINI E BORDI GRANO
I metalli hanno una struttura denominata “poli-cristallina” formata da tanti grani cristallini con struttura regolare, separati da altri grani cristallini dai bordi grano.
I grani cristallini possono avere dimensioni differenti. In linea generale vale il principio che a dimensioni elevate del grano corrispondono caratteristiche meccaniche meno performanti.
Per capire come si formano questi grani cristallini, è necessario introdurre il concetto di solidificazione di un acciaio che si sviluppa sempre attraverso un meccanismo di nucleazione ed accrescimento. All’inizio gli atomi del metallo liquido si riuniscono per formare nuclei solidi. Questi si accrescono attraverso la progressiva aggregazione degli atomi in fase liquida. Questo processo va avanti fino ad esaurimento del liquido, quando i grani cristallini si incontrano tra loro ed interferiscono dando origine ai bordi grano.
2. TIPI DI GRANO CRISTALLINO
I grani cristallini sono quindi organizzati in 7 sistemi cristallini che formano 4 tipi di celle elementare:
• Semplice
• Corpo centrato
• Facce centrate
• Base centrata
Che vanno a costituire le 14 celle elementari standard da immagine sotto
Le più comuni sono:
• Struttura Cubica a Corpo Centrato (CCC) o body centered cubic (BCC)
• Struttura Cubica a Facce Centrate (CFC) o Face Centered Cubic (FCC)
La struttura CFC, è più densa e ha un maggior numero di piani di scorrimento (vedi frecce bianche) e in conseguenza di questo sarà più deformabile rispetto alla struttura CCC.
L’acciaio, inteso come lega di ferro e carbonio, se non trattato termicamente, a temperatura ambiente ha una struttura CCC.
L’acciaio inossidabile austenitico, ha invece una struttura CFC a temperatura ambiente perché questa è la struttura tipica di uno degli elementi di lega più importanti di questo acciaio, il nichel, che riesce condizionare il ferro nella struttura CFC, e questo spiega la sua elevata deformabilità a freddo.
3. INCREMENTO DELLA RESISTENZA PER ALLIGAZIONE
Negli acciai l’effetto più rilevante in termini di incremento di resistenza è legato alla presenza di carbonio che è un elemento interstiziale, dal momento ha dimensioni molto inferiori rispetto al ferro e si insinua nelle lacune del reticolo. Questo tipo di rafforzamento è denominato alligazione per soluzione solida interstiziale.
Quando l’acciaio è nella struttura CFC, come si può intuire anche guardando la figura, ha un numero più elevato di siti interstiziali dove il carbonio può insinuarsi aumentandone la resistenza, perché la presenza di atomi estranei genera perturbazione nel reticolo cristallino creando localmente un campo di tensioni.
4. DIAGRAMMA FERRO CARBONIO
Per comprendere le trasformazioni strutturali degli acciai è fondamentale conoscere – attraverso lo studio del diagramma di stato ferro-carbonio (vedi grafico sotto) – le strutture di equilibrio degli acciai, al variare della temperatura e della percentuale di carbonio presente
Semplificando molto, a temperature ambiente abbiamo la ferrite, che ha una struttura CCC che può assorbire solo poco carbonio (può dissolvere al massimo lo 0,028% in peso di carbonio a 727°C) Il carbonio non assorbibile va quindi a formare carburi che si uniscono in piccole sacche formando una struttura cristallina molto dura chiamata cementite, che è rappresentabile dalla formula Fe3C e ha una struttura ortorombica.
Quando la temperatura aumenta, la ferrite si trasforma in austenite, che ha una struttura CFC che consente di assorbire più carbonio (può dissolvere il 2,11% in peso di carbonio a 1148 °C), innescando il dissolvimento della cementite nell’austenite.
Se a questo punto raffreddiamo rapidamente l’austenite, il carbonio non avrà il tempo di uscire dalla struttura cubica della ferrite rimanendo “intrappolato” e portando alla formazione della martensite: una struttura tetragonale a corpo centrato sovrassatura di carbonio, in cui la tetragonalità è causata dalla leggera distorsione della cella elementare CCC per la presenza del carbonio. Questa struttura ci consente di avere le caratteristiche meccaniche più performanti.
5. BONIFICA
La bonifica è un insieme di trattamenti termici, mirati ad ottenere durezze/resistenze elevate dell’acciaio su tutta la sua superficie, che si effettuano a particolari tipi di acciai, costituita da una tempra seguita da un rinvenimento.
La tempra consiste nel portare l’acciaio al di sopra della temperatura che induce un cambio di struttura (da CCC a CFC) per un tempo che permetta la completa austenizzazione e in un successivo brusco raffreddamento. Così facendo, il carbonio non ha il tempo per diffondere, e rimane intrappolato nella struttura CFC anziché trasformarsi in CCC. Questa struttura che si presenta come tetragonale a corpo centrato, è definita la martensite.
Con la tempra si ottiene una struttura ad elevata durezza e notevole carico di rottura, ma con una resilienza piuttosto bassa col relativo rischio di rotture a seguito di urti. Per evitare questi pericoli, che comportano un collasso praticamente istantaneo della struttura, si sottopone l'acciaio ad un trattamento termico di rinvenimento, per trasformare parte della martensite in martensite rinvenuta.
Il rinvenimento prevede un riscaldo dell’acciaio a una temperatura al di sotto di quella di trasformazione in austenite (definita AC1, e incasellabile nel range 400-700°C) per tempi sufficientemente prolungati. Il rinvenimento riduce la durezza del materiale, aumentandone la tenacità. Tramite il rinvenimento è possibile adattare le proprietà dei materiali (rapporto durezza/tenacità) a un’applicazione specificata.
Gli acciai da bonifica sono regolamentati dalla ISO 683-1 per gli acciai non legati da bonifica e 683-2 per gli acciai legati da bonifica e vengono classificati sulla base della composizione chimica, valutando il tenore di carbonio per i non legati e valutando anche gli elementi di lega per i legati.
Gli elementi di lega determinano alcune modifiche delle proprietà chimico/fisiche del materiale e sotto se ne riportano alcuni:
• Molibdeno: per aumentare temprabilità e resistenza all'usura
• Cromo: per aumenta la temprabilità e stabilità al rinvenimento oltre che resistenza all'usura e alla corrosione
• Nichel: per aumentare la resistenza e la durezza dopo la bonifica
• Vanadio: per aumentare la resistenza meccanica e la resistenza all'usura.
• Tungsteno: per aumentare la resistenza all'usura e la durezza
6. CEMENTAZIONE/CARBONITRURAZIONE
La cementazione è un trattamento termico che serve ad ottenere durezze/resistenze superficiali elevate dell’acciaio e si basa sulla diffusione del carbonio in forma atomica all’interno del reticolo cristallino dell’acciaio.
Tale fenomeno (definito anche adsorbimento) è funzione della temperatura, del tempo di mantenimento e della concentrazione di carbonio.
Qualunque sia il processo di cementazione impiegato, l’agente cementante del processo è sempre il monossido di carbonio. Tale sostanza interagendo con l’acciaio ad una temperatura di circa 900°C, dà luogo all’arricchimento di carbonio nel reticolo cristallino, cedendo atomi di carbonio all’acciaio. In generale, quindi, maggiore sarà la quantità di monossido di carbonio presente nell’ambiente di reazione, maggiore sarà la capacità cementante dell’ambiente stesso nei confronti dell’acciaio da trattare.
In generale dopo cementazione e successivi trattamenti termici, si ottiene un materiale con elevate durezze superficiali a profondità tipiche di 0,3-2mm e un cuore tenace.
Dopo cementazione gli acciai devono essere sempre sottoposti al trattamento termico di tempra e successiva distensione, che viene solitamente effettuata a basse temperature (102-200°C) e serve ad eliminare le tensioni senza ridurre eccessivamente la durezza superficiale. Questa diminuisce inoltre l’eccessiva fragilità dello strato indurito e la possibilità di incorrere in cricche di rettifica.
Gli acciai da cementazione sono regolamentati dalla normativa UNI EN ISO 683-3
La carbonitrurazione è una cementazione in presenza di azoto, che stabilizza la fase austenitica e aumenta la temprabilità finale della superficie, rendendo più efficace la diffusione del carbonio, che può essere fatta a temperature più basse.