Il trattamento termico è una fase critica post-fusione per affinare la microstruttura e le proprietà meccaniche dei componenti metallici. Riscaldando attentamente una fusione a temperature specifiche, mantenendola (immersione) per tempi controllati e raffreddandola secondo modalità definite, le fonderie possono personalizzare durezza, resistenza, duttilità, tenacità, resistenza all'usura e sollecitazioni residue.
I trattamenti termici tipici includono ricottura, normalizzazione, distensione, tempra (tempra), rinvenimento, martempering/austempering, trattamento di soluzione e invecchiamento (tempra per precipitazione) e tempra superficiale (cementazione/nitrurazione).
La ricottura riscalda il metallo a 1,550-1,850 °C e poi lo raffredda lentamente in forno. Questo processo ammorbidisce il metallo e lo rende più facile da lavorare.
Il raffreddamento lento consente alla struttura cristallina del metallo di riorganizzarsi, eliminando le tensioni interne che si accumulano durante la fusione o la lavorazione a freddo.
La ricottura richiede dalle 4 alle 12 ore, a seconda del tipo e dello spessore del metallo. I componenti in acciaio spesso necessitano di ricottura prima di poter essere lavorati o formati nelle forme finali.
La ricottura di distensione riscalda il metallo a 1,000-1,200 °F per rimuovere le tensioni interne senza alterarne la durezza. La temperatura rimane al di sotto del punto in cui la struttura del metallo cambia.
Questo processo previene deformazioni e crepe nei pezzi finiti. Le strutture saldate e i componenti lavorati meccanicamente necessitano spesso di distensione per mantenere la stabilità dimensionale.
Il metallo viene riscaldato per 1-2 ore per ogni pollice di spessore. Poi si raffredda lentamente in aria ferma o nel forno.
La normalizzazione consiste nel riscaldare l'acciaio a oltre 1,600 °C e poi raffreddarlo in aria a temperatura ambiente. Questo crea una struttura granulare uniforme in tutto il metallo.
Il processo richiede 1-2 ore e produce pezzi dal 10 al 20% più duri dell'acciaio ricotto. L'acciaio normalizzato si lavora meglio e ha proprietà più costanti.
Fusioni e forgiati vengono spesso sottoposti a normalizzazione per migliorarne la struttura. Il raffreddamento ad aria crea una granulometria più fine rispetto al raffreddamento in forno.
La tempra raffredda rapidamente il metallo riscaldato in acqua, olio o aria per aumentarne la durezza. L'acciaio deve essere riscaldato a 1,450-1,550 °C prima della tempra per raggiungere la massima durezza.
La tempra in acqua raffredda più velocemente e produce i risultati più duri. La tempra in olio riduce il rischio di cricche raffreddandosi più lentamente.
Il rapido raffreddamento intrappola gli atomi di carbonio nella struttura cristallina dell'acciaio, creando un materiale duro ma fragile che solitamente necessita di rinvenimento.
Il rinvenimento riscalda l'acciaio temprato a 300-1,200 °C per ridurne la fragilità mantenendone la durezza. Temperature di rinvenimento più elevate creano un acciaio più tenace ma più morbido.
Il processo richiede da 1 a 4 ore, a seconda delle proprietà desiderate. Una punta da trapano può essere temprata a 550 °C per ottenere durezza, mentre una molla a 800 °C per ottenere flessibilità.
Il rinvenimento trasforma la fragile struttura della martensite in una combinazione più tenace di ferrite e carburi, bilanciando durezza e tenacità per un utilizzo pratico.
La tempra martensitica prevede la tempra dell'acciaio in un bagno di sali fusi a 400-600 °C prima del raffreddamento ad aria. Ciò riduce la deformazione e la formazione di cricche rispetto alla tempra tradizionale.
L'austempering mantiene l'acciaio a 500-750 °C per diverse ore, creando bainite. Questa struttura conferisce un'eccellente tenacità ad alti livelli di durezza.
Entrambi i processi producono meno distorsioni rispetto alla tempra convenzionale. Ingranaggi, molle e componenti di precisione utilizzano spesso questi metodi.
Il trattamento termico di soluzione dissolve gli elementi di lega a 900-1,000 °F (XNUMX-XNUMX °C), seguito da un rapido raffreddamento. Questo crea una soluzione solida sovrasatura nell'alluminio e in altre leghe non ferrose.
L'invecchiamento riscalda poi il metallo a 250-500 °C per 4-24 ore. Si formano precipitati fini in tutta la struttura, aumentandone la resistenza del 50-100%.
L'indurimento superficiale crea superfici resistenti all'usura, mantenendo al contempo la tenacità del nucleo. Questi metodi di trattamento termico modificano solo lo strato esterno dei componenti.
La cementazione aggiunge carbonio alle superfici in acciaio riscaldando le parti a 1,650-1,750 °F (circa 4-20 °C) in un'atmosfera ricca di carbonio. Il processo dura dalle XNUMX alle XNUMX ore, a seconda della profondità desiderata.
La cementazione a gas utilizza metano o propano come fonte di carbonio. La cementazione a pacco circonda i componenti con polvere ricca di carbonio.
La superficie ad alto tenore di carbonio può raggiungere una durezza di 60-63 HRC dopo la tempra. Ingranaggi, cuscinetti e alberi a camme vengono comunemente sottoposti a cementazione.
La nitrurazione diffonde azoto sulle superfici in acciaio a una temperatura compresa tra 950 e 1,050 °C utilizzando ammoniaca gassosa. Il processo crea uno strato superficiale estremamente duro, con una durezza di 65-70 HRC.
La temperatura più bassa previene la deformazione, rendendo la nitrurazione ideale per i pezzi finiti. La profondità di trattamento superficiale raggiunge 0.001-0.020 pollici dopo 10-80 ore.
Le superfici nitrurate resistono meglio all'usura, alla corrosione e alla fatica rispetto alle superfici cementate. Gli stampi per pressofusione e le viti per estrusione traggono vantaggio dalla nitrurazione.
La tempra a induzione sfrutta campi elettromagnetici per riscaldare le superfici in acciaio fino a 1,550 °C in pochi secondi. L'acqua nebulizzata raffredda immediatamente la zona riscaldata.
La tempra a fiamma utilizza cannelli ossiacetilenici per lo stesso scopo. Entrambi i metodi temprano aree specifiche senza intaccare l'intero componente.
Questi processi sono adatti ad acciai a medio tenore di carbonio, con un tenore di carbonio compreso tra lo 0.40 e lo 0.50%. Alberi, ingranaggi e piastre antiusura vengono spesso temprati localmente.
Il trattamento criogenico espone i metalli a temperature inferiori a -250 °C utilizzando azoto liquido. Il processo completa la trasformazione martensitica negli acciai temprati. L'austenite residua si converte in martensite durante il raffreddamento profondo.
Il trattamento dura dalle 24 alle 36 ore, inclusi raffreddamento e riscaldamento controllati. I pezzi presentano una migliore resistenza all'usura e stabilità dimensionale. Gli acciai per utensili e le leghe ad alte prestazioni traggono i maggiori benefici dal trattamento criogenico.
| Processo | Temperatura/raffreddamento | Microstruttura | Materiali | Applicazioni | Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ricottura | Riscaldare nella regione α↔γ (~Ac1–Ac3), immergere, molto lento e fresco (forno) | Ferrite grezza+perlite o sferoidite; riduzione dello stress | Acciai al carbonio e legati; ghise grigie e malleabili; leghe di Cu, Al | Getti lavorabili, parti duttili, preformatura | Ammorbidisce il metallo, elevata duttilità, stress ridotto | Diminuisce la resistenza, grani grossolani, ciclo lungo |
| Stress Relief | 500–700 °C (acciaio) o ~500 °C (ghisa), immergere, raffreddamento lento dell'aria/forno | Sostanzialmente invariato (recupero delle dislocazioni); possibile crescita di piccoli grani | Quasi tutte le leghe di fusione (acciai, ghise, Al) | Getti grandi/spessi, parti saldate o lavorate | Riduce la distorsione, migliora la stabilità e la tenacità | Ammorbidimento minimo; passaggio extra |
| Normalizzazione | ~20–50°C sopra Ac3, immergere, aria fresca | Ferrite+perlite fine e uniforme (grani raffinati) | Acciai al carbonio e bassolegati | Getti strutturali (ingranaggi, alberi), acciaio preformato | Raffina la grana, più resistente/più forte della ricotta | Più duro di quello ricotto, alcuni temprano lo stress |
| tempra | Sopra Ac3, immergere, temprare in acqua/olio/polimero | Martensite (±bainite); molto dura, fragile | Acciai a medio/alto tenore di carbonio, acciai per utensili, alcune ghise | Parti soggette ad usura, utensili, ingranaggi, alberi | Massimizza durezza e resistenza | Elevata fragilità, distorsione/crepe |
| tempra | 150–600 °C (bassa temperatura relativa), immergere, raffreddare | Martensite temprata (ferrite + carburi dispersi) | Acciai temprati (al carbonio, legati) | Dopo l'indurimento: molle, ingranaggi, utensili | Aumenta la tenacità, riduce la fragilità | Riduce la durezza, la lavorazione extra |
| Tempera marziale | Raffreddare a ~100–200 °C, mantenere, quindi raffreddare all'aria | Martensite (meno stressata) | Acciai ad alto tenore di carbonio/legati | Parti spesse/temprate (ingranaggi cementati) | Sollecitazioni inferiori rispetto alla tempra diretta, durezza uniforme | Controllo complesso, velocità di raffreddamento limitata |
| Autemperatura | Raffreddare a ~260–400 °C, mantenere isotermico, quindi raffreddare | Struttura bainitica (ausferrite) | Acciai a medio tenore di carbonio; ghisa duttile (ADI) | Parti soggette ad usura ADI, getti ad alta resistenza | Elevata tenacità e resistenza all'usura, minore distorsione | Richiede bagno di sale, solo alcune leghe sono adatte |
| Soluzione + Invecchiamento | Riscaldare fino alla temperatura di soluzione (ad esempio 500–1050 °C), raffreddare, quindi invecchiare a 150–600 °C | Soluzione solida monofase → precipitati fini (ad esempio Al₂Cu, Ni₃Ti) | Leghe di alluminio (2xxx,6xxx,7xxx); acciaio inossidabile PH; leghe di nichel | Componenti aerospaziali, fusioni in alluminio temprato | Elevata resistenza e resistenza alla corrosione | Distorsione, processo lungo, controllo rigoroso della temperatura |
| carburazione | ~850–950 °C in bagno/gas ricco di C, immergere, quindi spegnere | Superficie martensitica ad alto tenore di carbonio; nucleo morbido | Acciai a basso tenore di carbonio, ghisa duttile | Ingranaggi, camme, alberi, superfici soggette a usura | Superficie dura con nucleo duttile; elevata resistenza alla fatica | Distorsione, cicli lunghi, mezzi tossici (liquidi) |
| nitrurazione | ~480–550 °C in gas NH₃, lunga immersione, senza spegnimento | Strato di nitruro duro (Fe₄N ecc.) sulla superficie, nucleo invariato | Acciai nitruranti (acciai al Cr, Al) | Parti della pompa del carburante, taglienti, alberi | Custodia molto rigida; distorsione minima; processo senza olio | Lento (ore), cassa poco profonda, scelta di leghe limitata |
