Trattamento termico dei metalli: Tutto quello che c'è da sapere

Gli utilizzatori di metalli nell'industria manifatturiera hanno imparato a migliorarne una vasta gamma. Questo viene fatto soprattutto per adattare le loro proprietà al compito da svolgere, come ad esempio la reazione a lavorazione di precisione.

Esistono numerosi metodi per migliorare i metalli, uno dei quali comprende il trattamento termico dei metalli. Questo processo può alterare diverse proprietà, tra cui resistenza, formabilità, elasticità, durezza, duttilità e lavorabilità.

Come suggerisce l'argomento, questo articolo si concentra su tutto ciò che è necessario sapere sul trattamento termico dei metalli.

Che cos'è il trattamento termico dei metalli

Il trattamento termico è un processo generale che prevede l'utilizzo di operazioni di riscaldamento e raffreddamento a vari livelli per alterare le proprietà fisiche di metalli (microstruttura) come acciaio, alluminio e molti altri. Lo scopo principale di tale trattamento è quello di migliorare le proprietà fisiche e strutturali in vista di un uso specifico o di un futuro lavoro del metallo.

Esistono numerose varietà di processi di trattamento termico, tra cui la cementazione, la ricottura, il rinvenimento, la decarburazione, la normalizzazione, la cementazione, l'invecchiamento, la tempra e altri ancora. Sebbene ciascuno di questi trattamenti termici produca risultati diversi nel metallo, tutti comportano tre fasi fondamentali. Queste fasi comprendono il riscaldamento, l'immersione e il raffreddamento.

I vantaggi del trattamento termico dei metalli

Nel mondo della produzione, il trattamento termico dei metalli è generalmente utilizzato e si tratta di un processo di riscaldamento e raffreddamento controllato con precisione. Il trattamento termico non solo rende il metallo più duro, ma lo rende anche più morbido. L'ammorbidimento consente ai metalli di effettuare operazioni di lavorazione come la forgiatura a freddo, la lavorazione meccanica, l'imbutitura e molte altre. I vantaggi del trattamento termico dei metalli sono i seguenti:

• Miglioramento della lavorabilità o dell'abilità di lavorazione:

Il trattamento termico contribuisce a migliorare la producibilità di un metallo. Ciò avviene attraverso l'eliminazione delle tensioni interne dovute a precedenti processi di fabbricazione, come la lavorazione a caldo, a freddo, la lavorazione meccanica, la saldatura e lo stampaggio. Ad esempio, se un metallo è molto duro da piegare o lavorare, può essere sottoposto a ricottura o distensione. In questo modo si riduce la durezza del materiale. Se un materiale si deforma durante la lavorazione, per evitare che si deformi, può essere sottoposto a ricottura o distensione. Il trattamento termico a induzione o alla fiamma può anche essere utilizzato per ammorbidire un'area specifica del metallo, lasciando intatta la parte restante del metallo.

• Miglioramento della durata e della resistenza all'usura

Esistono diversi processi di trattamento termico. Alcuni di questi processi possono essere utilizzati per migliorare la resistenza all'usura indurendo i metalli coinvolti. Metalli come il titanio, l'acciaio, l'Inconel e alcune leghe di rame possono essere induriti sia in superficie (cementazione) che in profondità (tempra passante). Questo metodo serve a rendere il materiale più forte, più durevole, più tenace e più resistente all'usura. Questo metodo è il migliore comunemente usato per aumentare la durata di acciai economici, tra cui il 1018 o l'A-36.

La tempra localizzata può essere effettuata per induzione o alla fiamma. In questo modo è possibile indurire una parte specifica, lasciando inalterato il resto del materiale. Infine, la nitrurazione viene utilizzata per indurire la superficie del pezzo a basse temperature per ridurre la distorsione.

• Miglioramento della resistenza e della forza

La tenacità e la resistenza sono un compromesso, in quanto l'aumento della resistenza misurata dalla durezza può contribuire a ridurre la tenacità e introdurre la fragilità. Di conseguenza, il trattamento termico può influire sulla resistenza alla trazione, sulla resistenza allo snervamento e sulla tenacità alla frattura. La tempra passante o la cementazione contribuiscono ad aumentare la resistenza del materiale. Tuttavia, per ridurre la fragilità, il materiale dovrà essere rinvenuto o temperato. L'entità del rinvenimento è determinata dalla resistenza ultima richiesta dal pezzo. Inoltre, se il materiale ricevuto è troppo fragile, può essere sottoposto a un trattamento termico di rinvenimento o di ricottura per renderlo più utilizzabile (duttile).

• Miglioramento delle proprietà magnetiche

Molti metalli, tra cui il 316 o il 1008, tendono ad acquisire magnetismo, che si misura come permeabilità magnetica. Ciò si ottiene soprattutto quando i materiali in questione vengono induriti con metodi che comprendono la lavorazione, lo stampaggio, la formatura e la piegatura. Oltre all'aumento del magnetismo, esiste un tipo specifico di processo di ricottura che contribuisce a ridurre la permeabilità magnetica. Si tratta di un'operazione importante se il pezzo viene utilizzato in un ambiente elettronico.

Quali metalli possono essere trattati termicamente?

Nel mondo dei trattamenti termici, i metalli ferrosi rappresentano la maggior parte dei materiali trattati termicamente. Circa l'80% dei metalli ferrosi trattati termicamente sono i diversi tipi di acciaio. Altri esempi di metalli ferrosi che possono essere trattati termicamente sono l'acciaio inox e la ghisa. Tuttavia, altri metalli, tra cui il magnesio. Alluminio, nichel, titanio, ottone, leghe di rame e molti altri ancora possono essere trattati termicamente.

Trattamento termico dell'alluminio

Trattamento termico di alluminio aiuta a rafforzare e indurire un sottoinsieme specifico di leghe di alluminio. Questo comprende le leghe di alluminio battute e fuse che possono essere indurite per precipitazione. Queste leghe di alluminio indurenti per precipitazione comprendono i gradi 2XXX, 6XXX, 7XXX e 8XXX. La ricottura può essere necessaria anche per le parti che hanno subito un indurimento per deformazione durante il processo di formatura.

Il trattamento termico tipico dell'alluminio comprende ricottura, invecchiamento naturale e artificiale, omogeneizzazione e trattamento termico in soluzione. Sebbene il trattamento termico dell'alluminio differisca da quello di altri metalli, come l'acciaio, la temperatura del forno può variare da 240 a 1000 °F, a seconda dell'esatto processo utilizzato.

Trattamento termico dell'acciaio

Come già detto in precedenza, il metallo ferroso più trattato termicamente è acciaio. La regolazione del contenuto di carbonio dell'acciaio è il più semplice trattamento termico dell'acciaio. Ciò contribuisce a modificare le proprietà meccaniche dell'acciaio. Ulteriori modifiche vengono apportate dal trattamento termico, ad esempio accelerando la velocità di raffreddamento attraverso il punto di trasformazione austenite-ferrite. Inoltre, aumentando la velocità di raffreddamento dell'acciaio perlitico (0,77% di carbonio) a circa 200oC al minuto si ottiene una DPH di circa 300, mentre raffreddando a 400oC al minuto la DPH sale a circa 400. L'aumento della durezza è attribuito alla formazione di una microstruttura di perlite e ferrite più fine che può essere ottenuta durante il raffreddamento lento in aria ambiente.

In generale, i processi di trattamento termico comunemente utilizzati per l'acciaio includono la ricottura, la tempra, il rinvenimento, la boronatura, la carburazione, la cementazione, la nitrurazione, la decarburazione, la tempra al cianuro e molti altri. Tuttavia, non tutti i tipi di acciaio devono essere sottoposti a tutti i trattamenti termici menzionati, ma tutti gli acciai devono essere trattati.

Trattamento termico dell'acciaio inossidabile

Un altro metallo trattabile termicamente è l'acciaio inossidabile. Gli acciai inossidabili sono generalmente trattati in base al grado o al tipo di lega. I metodi di trattamento termico, tra cui la tempra, l'alleggerimento delle tensioni e la ricottura, contribuiscono a rafforzare le proprietà di resistenza alla corrosione e di duttilità dell'acciaio inossidabile durante la fabbricazione. Inoltre, contribuiscono a generare una struttura dura in grado di resistere all'abrasione e alle elevate sollecitazioni meccaniche.

Il trattamento termico dell'acciaio inossidabile avviene per lo più in condizioni controllate per prevenire la decarburazione, la carburazione e le incrostazioni sulla superficie dell'acciaio inossidabile. I metodi comunemente utilizzati per il trattamento termico dell'acciaio inossidabile includono la ricottura (ricottura per tempra, ricottura di processo e ricottura di stabilizzazione), la tempra, l'alleggerimento delle tensioni e molti altri.

Trattamento termico del titanio

Titanio e le sue leghe sono sottoposte a trattamento termico per ridurre le tensioni residue sviluppate durante la fabbricazione (distensione). Inoltre, porta alla produzione di una combinazione ottimale di stabilità dimensionale e lavorabilità (ricottura). Per aumentare la resistenza del titanio e delle sue leghe si ricorre al trattamento in soluzione e all'invecchiamento. Per quanto riguarda il trattamento termico, le leghe di titanio sono classificate come leghe Alfa, quasi Alfa, Alfa-Beta o Beta.

• Mentre le leghe di titanio Alpha e quasi Alpha possono essere sottoposte a distensione e ricottura, l'elevata resistenza non può essere sviluppata da alcun tipo di trattamento termico.
• Le leghe Beta commerciali sono considerate leghe di titanio Beta metastabili. Se esposte a temperature elevate selezionate, la fase Beta trattenuta si decompone e si verifica un rafforzamento del materiale. Per ottenere leghe Beta, il trattamento di invecchiamento e di distensione può essere combinato, mentre la ricottura e il trattamento in soluzione possono essere operazioni identiche.
• Come suggerisce il nome, le leghe Alfa-Beta sono leghe bifasiche che comprendono sia la fase Alfa che la fase Beta. Sembrano essere le più versatili e le più comuni delle tre varietà di leghe di titanio.

Trattamento termico del rame

Il rame come metallo presenta un colore gradevole, ma le sue caratteristiche più importanti sono l'elevata conducibilità termica ed elettrica, la forza, la lavorabilità, la buona resistenza alla corrosione, l'assenza di magnetismo e la facilità di lavorazione. I prodotti finali della lavorazione del rame sono generalmente descritti come prodotti di fonderia e di laminazione. Questi possono includere cavi e fili, nastri, barre, tubi, fusioni, forme di metallurgia delle polveri, lamiere, piastre, barre, forgiati e altro ancora. Questi prodotti sono realizzati con rame e sue leghe e possono essere trattati termicamente per una vasta gamma di scopi.

I metodi di trattamento termico più comunemente utilizzati per il rame includono l'omogeneizzazione, la distensione, la ricottura, la tempra per precipitazione e molti altri.

Metodi comuni di trattamento termico

Ricottura

La ricottura è un metodo di trattamento termico che consiste nel riscaldare un metallo a una particolare temperatura e nel raffreddare lo stesso metallo a una velocità lenta che produce una microstruttura raffinata. Questo processo può essere effettuato in modo completo o parziale, separando i costituenti. Questo metodo viene solitamente utilizzato per ammorbidire un metallo per la lavorazione a freddo, al fine di migliorarne le caratteristiche o le proprietà come la lavorabilità, la conducibilità elettrica, la duttilità e la tenacità.

È utile per alleviare le tensioni nel metallo derivanti da precedenti processi di lavorazione a freddo. Durante la ricristallizzazione, la deformazione plastica che si è verificata viene eliminata quando la temperatura del metallo supera la temperatura critica superiore.

Con questo metodo di trattamento termico, i pezzi da trattare possono essere sottoposti a una vasta gamma di tecniche. Queste tecniche includono, ma non solo, la ricottura parziale, la ricottura completa, la ricristallizzazione e la ricottura finale.

Le leghe ferrose possono essere sottoposte a ricottura di processo o a ricottura completa. In questo caso, la ricottura di processo comporta un raffreddamento più rapido fino alla normalizzazione per produrre una microstruttura uniforme. La ricottura completa, invece, prevede un raffreddamento lento per produrre una forma di perlite grossolana.

I metalli non ferrosi sono per lo più sottoposti a una vasta gamma di metodi di ricottura. Questi includono la ricottura parziale, la ricottura completa, la ricottura di ricristallizzazione e la ricottura finale.

Normalizzazione

La tecnica del trattamento termico di normalizzazione viene utilizzata quando è necessario alleviare le tensioni interne. Queste sollecitazioni possono essere causate da processi come la fusione, la saldatura o la tempra. Questo processo richiede il riscaldamento delle parti metalliche a una temperatura superiore di 40°C rispetto alla temperatura critica superiore.

Un'altra utilità della normalizzazione è quella di fornire uniformità nelle dimensioni e nella composizione quando si deve creare una lega. La normalizzazione può essere utilizzata anche per leghe ferrose austenitizzate che sono state raffreddate all'aria aperta.

Questa tecnica è vantaggiosa perché produce martensite, perlite e persino bainite. In questo modo si ottiene un acciaio più duro e resistente di quello ricotto. È un dato di fatto che l'acciaio normalizzato è più duro di qualsiasi altro acciaio trattato termicamente. Per questo motivo, i pezzi che devono sostenere carichi esterni massicci o che hanno applicazioni di resistenza agli urti vengono sempre normalizzati. In questo modo, il pezzo è in grado di soddisfare i requisiti necessari per il progetto.

Alleviare lo stress

Quando alcuni pezzi vengono sottoposti a processi come la formatura, la laminazione, la raddrizzatura o la lavorazione, si creano delle tensioni interne specifiche sul pezzo. Nel tentativo di alleviare queste tensioni interne, si ricorre alla tecnica del trattamento termico antistress.

La tecnica del trattamento termico di distensione viene utilizzata per ridurre o rimuovere le tensioni che si sono accumulate in un pezzo a causa di precedenti attività tecniche eseguite su di esso. La tecnica consiste nel riscaldare i pezzi a una temperatura inferiore alla temperatura critica e nel raffreddarli in modo uniforme.

La tecnica di trattamento termico di distensione viene utilizzata su articoli quali caldaie, serbatoi d'aria, recipienti a pressione e molti altri.

Invecchiamento

L'invecchiamento è altrimenti noto come indurimento per precipitazione. Questa tecnica di trattamento termico è nota soprattutto per la sua applicazione nell'aumento della resistenza allo snervamento dei metalli malleabili. Il meccanismo d'azione di questa tecnica produce particelle uniformemente disperse all'interno della struttura dei grani del metallo che determinano cambiamenti nelle proprietà.

Dopo la tecnica di trattamento termico che raggiunge temperature elevate, viene l'indurimento per precipitazione. L'invecchiamento, invece, si limita a elevare la temperatura a un livello ottimale e a ridurla rapidamente.

Mentre alcuni metalli invecchiano naturalmente (a temperatura ambiente), altri invecchiano artificialmente - in sostanza, a temperature elevate. È molto facile conservare i metalli che invecchiano naturalmente a temperature più basse. In alcune applicazioni, le leghe che invecchiano naturalmente vengono conservate in freezer per evitare l'indurimento fino al momento dell'utilizzo. Le leghe che possono subire l'indurimento per precipitazione includono leghe di alluminio (serie 2000, serie 6000 e serie 7000), acciaio (acciaio maraging) e molte altre.

Tempra

La tempra comporta il riscaldamento di parti al di sopra della loro temperatura critica superiore per riportarle rapidamente a temperatura ambiente. Il ritorno alla temperatura ambiente avviene immergendo il metallo caldo in olio, salamoia, un polimero sciolto in acqua o un altro liquido adatto per indurire completamente la struttura. Questo processo viene eseguito in modo rapido. La tempra viene eseguita sia per le leghe ferrose che per quelle non ferrose. Mentre i metalli non ferrosi producono pezzi più morbidi del normale, le leghe ferrose producono pezzi più duri.

La durezza del pezzo desiderato dipende dal metodo di tempra utilizzato e dalla composizione chimica del metallo. La tempra viene eseguita per i metalli ferrosi, tra cui ferro e acciaio, e per i metalli non ferrosi, tra cui leghe di nichel, rame, alluminio e molti altri. Tuttavia, la maggior parte dei metalli non ferrosi produce un effetto opposto quando viene raffreddata. Tali materiali comprendono l'alluminio, il rame o il nichel, l'acciaio inox austenitico come il 316 e il 304.

Indurimento

Nel settore dei trattamenti termici, la tempra è la tecnica più comunemente utilizzata per aumentare la durezza dei pezzi. In alcune situazioni, viene temprata solo la superficie dei pezzi.

A tal fine, la parte desiderata per il trattamento termico viene indurita mediante trattamento termico a una temperatura specifica, quindi viene raffreddata rapidamente mediante l'inserimento in un mezzo di raffreddamento. Il mezzo di raffreddamento da utilizzare comprende, a titolo esemplificativo e non esaustivo, salamoia, acqua o olio. Il prodotto finale del trattamento termico di tempra aumenterà la resistenza e la durezza, ma contemporaneamente aumenterà la fragilità del materiale.

Un tipo di processo di tempra è la cementazione, in cui solo le parti metalliche presentano una durezza dello strato esterno. Ciò significa che il pezzo risultante avrà un nucleo più morbido ma uno strato esterno più duro. Questa durezza dello strato esterno è comune per gli alberi perché protegge lo strato esterno dall'usura del materiale.

Tempra

La tempra è una tecnica di trattamento termico utilizzata per aumentare la resistenza delle leghe a base di ferro, come l'acciaio. Sebbene le leghe a base di ferro presentino un elevato livello di durezza, spesso sono troppo fragili per essere utilizzate nella maggior parte delle applicazioni. Di conseguenza, il rinvenimento viene utilizzato per modificare la duttilità, la durezza, la resistenza e la fragilità per renderle più facili da lavorare. A tal fine, il pezzo viene sottoposto a un trattamento termico al di sotto del punto critico, in quanto una temperatura inferiore riduce la fragilità mantenendo la durezza del pezzo. D'altra parte, se è richiesta una maggiore plasticità con una minore durezza e resistenza, è necessaria una temperatura più elevata.

Un altro approccio è quello di acquistare pezzi già temprati o di temprare il pezzo prima della lavorazione. A differenza di un processo di trattamento successivo alla lavorazione, può essere difficile da lavorare, ma elimina il rischio di variazioni nelle dimensioni del pezzo. Questo processo aiuta anche a eliminare la necessità di un'officina di rettifica per ottenere tolleranze o finiture strette.

Decarburazione

La decarburazione comporta la rimozione del carbonio dalla superficie dei pezzi desiderati, sia attraverso il normale processo di invecchiamento dell'ossidazione sia mediante l'applicazione di calore. È un fenomeno di degradazione superficiale nel trattamento termico e nella forgiatura dell'acciaio. Può anche essere descritto come un processo metallurgico in cui la superficie dell'acciaio viene privata del suo contenuto di carbonio. Ciò avviene principalmente per azione chimica o per riscaldamento della parte in acciaio al di sopra della temperatura critica inferiore.

Il contenuto di carbonio del metallo ne influenza la durezza. Durante il processo di decarburazione, il carbonio si diffonde dalla superficie del metallo, provocandone l'indebolimento. Se da un lato il processo riduce la resistenza del metallo, dall'altro aumenta la tensione di taglio sotto la superficie del metallo. Diminuisce anche la resistenza alla fatica, mentre aumentano il tasso di usura e la crescita delle cricche.

Processo di trattamento termico comune

Esiste una vasta gamma di tecniche di trattamento termico utilizzate nel settore manifatturiero. Ciascuna tecnica di trattamento termico produce risultati diversi, ma presenta fasi comuni, tra cui:

• Riscaldamento
• In ammollo
• Raffreddamento

Riscaldamento

Nella maggior parte dei processi di trattamento termico, il riscaldamento è la prima fase. Molte leghe trattabili termicamente cambiano struttura quando vengono riscaldate a una temperatura specifica. A temperatura ambiente, la struttura di una lega può essere una miscela meccanica in soluzione solida o una combinazione di miscela meccanica e soluzione solida.

Ad esempio, una miscela meccanica può essere paragonata al calcestruzzo, in quanto la sabbia e la ghiaia sono tenute insieme in un unico pezzo dal cemento. Allo stesso modo, in una miscela meccanica, gli elementi e i composti sono visibili e sono tenuti insieme da una matrice di metalli di base.

Per soluzione solida si intende una soluzione in cui due o più metalli vengono assorbiti da un altro per formare un unico pezzo. Pertanto, quando una lega si presenta sotto forma di soluzione solida, l'elemento e i composti che la compongono vengono assorbiti l'uno dall'altro.

A temperatura ambiente, il metallo nella sua miscela meccanica passa a una soluzione parziale o solida quando viene riscaldato. Durante questo processo, le proprietà chimiche e la composizione del pezzo possono essere alterate nella dimensione e nella struttura dei grani. È possibile che la lega finisca in uno dei tre stati spiegati in precedenza, a seconda della tecnica utilizzata.

In ammollo

Questa fase è anche considerata la fase di mantenimento: il metallo sottoposto a trattamento termico viene mantenuto alla temperatura richiesta. Il metallo deve rimanere a questa temperatura fino a quando il calore non si distribuisce uniformemente, il che viene definito "immersione". La durata della permanenza a questa temperatura dipende dai requisiti. Ad esempio, maggiore è la massa del pezzo, maggiore è il tempo necessario per l'immersione. Un altro fattore che influisce sulla durata è il tipo di materiale.

Raffreddamento

Dopo che il pezzo è stato adeguatamente impregnato, il passo successivo è il raffreddamento. In questo caso, la struttura del pezzo può subire cambiamenti da una composizione chimica a un'altra, può tornare alla sua forma originale o rimanere invariata. A seconda della velocità di raffreddamento e del tipo di metallo, un metallo in soluzione solida può rimanere invariato durante il raffreddamento, trasformarsi in una combinazione dei due o in una miscela meccanica. È interessante notare che il risultato è prevedibile, quindi si prevede che il pezzo finisca come previsto.

Di conseguenza, una vasta gamma di metalli può essere resa conforme a strutture specifiche per aumentarne la tenacità, la durezza, la resistenza alla trazione, la duttilità e molto altro.

Attrezzature necessarie per il trattamento termico

Per ottenere un processo di trattamento termico di successo, è necessario uno stretto controllo di tutti i fattori che influenzano il riscaldamento e il raffreddamento del pezzo. Questo controllo è possibile solo se sono disponibili le attrezzature adeguate e se queste si adattano correttamente ai requisiti del progetto. Pertanto, il forno da utilizzare deve essere di tipo e dimensioni adeguate e la temperatura deve essere controllata e mantenuta entro i limiti prescritti per ogni operazione.

Inoltre, le condizioni atmosferiche all'interno del forno possono influire sulle condizioni dei pezzi da trattare termicamente. Inoltre, il mezzo di tempra e l'attrezzatura di tempra devono essere scelti in base al materiale utilizzato e al processo di trattamento termico. Infine, devono essere previste attrezzature per la movimentazione dei pezzi e dei materiali, la raddrizzatura dei pezzi e la pulizia dei metalli. Di seguito sono elencati i diversi tipi di forni necessari per il processo di trattamento termico:

• Forno batch: costituito da camere isolate con un sistema di riscaldamento, un guscio di acciaio e un accesso alla camera.
• Forno a campana: costituito da coperture rimovibili denominate campane che possono essere abbassate sul carico e sul focolare mediante una gru.
• Forno a cassetta: la maggior parte è stata trasformata in un forno discontinuo semicontinuo con camere di raffreddamento lento e serbatoi di tempra integrati.
• Forno a carrelli: considerato anche un forno a carrelli, è un forno a lotti estremamente grande con un carrello isolante mobile che può essere spostato all'interno e all'esterno del forno.
• Forno ad ascensore: il focolare e il carrello vengono fatti rotolare in posizione sotto il forno, a differenza del forno a carrello.
• Forno a letto fluido: costituito da una storta cilindrica prodotta in lega ad alta temperatura.
• Forno a fossa: il forno è costruito in una fossa e si estende fino al livello del pavimento o leggermente al di sopra.
• Forno a bagno di sale: utilizza una varietà di sale per il trattamento termico.

Sintesi

In conclusione, il trattamento termico è un modo di utilizzare tecniche di riscaldamento e raffreddamento controllate per alterare le proprietà fisiche dei metalli e migliorarle. Di conseguenza, tali metalli possono essere utilizzati in un'ampia varietà di settori. Inoltre, il trattamento termico è una parte essenziale del processo di lavorazione di precisione per trasformare i pezzi e garantire che i vostri pezzi funzionino come previsto per i vostri progetti.