Trattamento termico dei metalli: tutto ciò che c'è da sapere

Gli utilizzatori dei metalli nel settore manifatturiero hanno imparato a migliorare un'ampia varietà di metalli. Ciò avviene soprattutto per adattarne le proprietà all'attività da svolgere, ad esempio la reazione alla lavorazione di precisione.

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

Come suggerisce il titolo di questo articolo, l'articolo si concentra su tutto ciò che c'è da sapere sul trattamento termico dei metalli.

Che cos'è il trattamento termico dei metalli

Il trattamento termico è un processo generale che prevede operazioni di riscaldamento e raffreddamento a vari livelli per modificare le proprietà fisiche dei metalli (microstruttura), come acciaio, alluminio e molti altri. Lo scopo principale di tale trattamento è migliorare le proprietà fisiche e strutturali per un uso specifico o per una successiva lavorazione del metallo.

Esistono numerose varietà di processi di trattamento termico, tra cui la cementazione, la ricottura, la tempra, la decarburazione, la normalizzazione, la cementazione, l'invecchiamento, la tempra rapida e altri. Sebbene ciascuno di questi trattamenti termici produca risultati diversi nel metallo, tutti prevedono tre fasi fondamentali: riscaldamento, mantenimento e raffreddamento.

I vantaggi del trattamento termico dei metalli

Nel mondo della produzione, il trattamento termico dei metalli è generalmente utilizzato ed è un processo di riscaldamento e raffreddamento controllato con precisione. Il trattamento termico non rende solo il metallo più duro, ma anche più tenero. L'addolcimento consente di lavorare i metalli con operazioni come forgiatura a freddo, lavorazione CNC, imbutitura profonda e molte altre. Il trattamento termico dei metalli è vantaggioso e comporta i seguenti benefici:

• Miglioramento della lavorabilità:

Il trattamento termico contribuisce a migliorare la lavorabilità di un metallo. Ciò avviene mediante l'eliminazione delle tensioni interne derivanti da precedenti processi di fabbricazione come lavorazione a caldo, lavorazione a freddo, lavorazione CNC, saldatura e stampaggio. Ad esempio, se un metallo è molto difficile da piegare o lavorare, può essere sottoposto a ricottura o distensione. Ciò aiuta a ridurre la durezza di tale materiale. Se un materiale si deforma durante la lavorazione, per evitare la deformazione può essere ricotto o disteso. Il trattamento termico a induzione o a fiamma può anche essere utilizzato per addolcire una zona specifica del metallo, lasciando inalterata la parte restante.

• Miglioramento della durabilità e della resistenza all'usura

Esistono diversi processi di trattamento termico. Alcuni di questi possono essere utilizzati per migliorare la resistenza all'usura indurendo i metalli coinvolti. Metalli come titanio, acciaio, Inconel e alcune leghe di rame possono essere induriti superficialmente (cementazione) o in profondità (tempra totale). Ciò viene fatto per rendere il materiale più resistente, più durevole, più tenace e più resistente all'usura. Questo metodo è il migliore e il più comunemente usato per aumentare la durabilità di acciai economici come 1018 o A-36.

L'indurimento localizzato può essere eseguito a induzione o a fiamma. Ciò può anche contribuire a indurire una parte specifica lasciando inalterata o invariata la parte restante del materiale. Infine, la nitrurazione viene utilizzata per indurire la superficie del pezzo a basse temperature per ridurre le distorsioni.

• Miglioramento della tenacità e della resistenza

Tenacità e resistenza sono un compromesso: aumentare la resistenza misurata dalla durezza può contribuire a ridurre la tenacità e introdurre fragilità. Di conseguenza, il trattamento termico può influire sulla resistenza alla trazione, sul carico di snervamento e sulla tenacità alla frattura. La tempra totale o la cementazione contribuiscono ad aumentare la resistenza del materiale. Tuttavia, il materiale dovrà essere rinvenuto o temperato per ridurre la fragilità. L'entità del rinvenimento è determinata dalla resistenza finale richiesta nel pezzo. Inoltre, se il materiale ricevuto è troppo fragile, può essere sottoposto a trattamento termico, rinvenuto nuovamente o ricotto per renderlo più utilizzabile (duttile).

• Miglioramento delle proprietà magnetiche

Molti metalli, tra cui il 316 o il 1008, tendono ad acquisire magnetismo, misurato come permeabilità magnetica. Ciò si verifica soprattutto quando i materiali in questione sono incruditi tramite metodi quali lavorazione, stampaggio, formatura e piegatura. Oltre all'acquisizione di magnetismo, esiste uno specifico tipo di processo di ricottura che aiuta a ridurre la permeabilità magnetica. È importante eseguirlo se il componente è destinato a un'applicazione in ambiente elettronico.

Quali metalli possono essere sottoposti a trattamento termico?

Nel mondo del trattamento termico, i metalli ferrosi rappresentano la maggioranza dei materiali trattati. Circa l'80% dei metalli ferrosi trattati termicamente è costituito dalle diverse qualità di acciaio. Altri esempi di metalli ferrosi trattabili termicamente includono l'acciaio inossidabile e la ghisa. Tuttavia, anche altri metalli, tra cui magnesio, alluminio, nichel, titanio, ottone, leghe di rame e molti altri, sono trattabili termicamente.

Trattamento termico dell'alluminio

Il trattamento termico dell' alluminio aiuta a rafforzare e indurire uno specifico sottoinsieme di leghe di alluminio. Ciò comprende le leghe da deformazione plastica e da fusione induribili per precipitazione. Queste leghe di alluminio induribili per precipitazione includono le qualità 2XXX, 6XXX, 7XXX e 8XXX. Può essere necessaria anche una ricottura per i componenti che hanno subito incrudimento durante il processo di formatura.

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

Trattamento termico dell'acciaio

Come accennato in precedenza, il metallo ferroso più trattato termicamente è l' acciaio. La regolazione del contenuto di carbonio dell'acciaio è il trattamento termico più semplice. Ciò contribuisce a modificare le proprietà meccaniche dell'acciaio. Ulteriori modifiche si ottengono mediante 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 200 °C al minuto si genera una durezza DPH di circa 300, e raffreddando a 400 °C al minuto la DPH sale a circa 400. L'aumento di durezza è attribuito alla formazione di una microstruttura più fine di perlite e ferrite che si ottiene durante il raffreddamento lento in aria ambiente.

In generale, i processi di trattamento termico comunemente utilizzati per l'acciaio includono ricottura, tempra, rinvenimento, borurazione, cementazione, tempra superficiale, nitrurazione, decarburazione, tempra al cianuro e molti altri. Tuttavia, non tutte le qualità di acciaio devono essere sottoposte a tutti i trattamenti termici menzionati, ma tutto l'acciaio deve essere trattato.

Trattamento termico dell'acciaio inossidabile

Un altro metallo trattabile termicamente è l'acciaio inossidabile. Per l'acciaio inossidabile, il trattamento viene generalmente eseguito in base alla qualità o al tipo di lega. I metodi di trattamento termico, tra cui indurimento, distensione e ricottura, aiutano a rafforzare le proprietà di resistenza alla corrosione e duttilità dell'acciaio inossidabile durante la fabbricazione. Contribuiscono inoltre a generare una struttura dura in grado di resistere all'abrasione e alle elevate sollecitazioni meccaniche.

Il trattamento termico dell'acciaio inossidabile viene per lo più eseguito in condizioni controllate per prevenire decarburazione, carburazione e scagliatura sulla superficie dell'acciaio inossidabile. I metodi comunemente utilizzati per il trattamento termico dell'acciaio inossidabile includono ricottura (ricottura di tempra, ricottura di processo e ricottura di stabilizzazione), indurimento, distensione e molti altri.

Trattamento termico del titanio

Il titanio e le sue leghe vengono sottoposti a trattamento termico per ridurre le sollecitazioni residue sviluppate durante la fabbricazione (distensione). Inoltre, ciò porta alla produzione di una combinazione ottimale di stabilità dimensionale e lavorabilità (ricottura). Per aumentare la resistenza del titanio e delle sue leghe si utilizzano solubilizzazione e invecchiamento. Per quanto riguarda il trattamento termico, le leghe di titanio sono classificate come leghe Alfa, quasi Alfa, Alfa-Beta o Beta.

• Sebbene le leghe Alfa e quasi Alfa del titanio possano essere distese e ricotte, l'elevata resistenza non può essere sviluppata con alcun tipo di trattamento termico
• Le leghe Beta commerciali sono considerate leghe di titanio Beta metastabili. Se esposte a determinate temperature elevate, la fase Beta trattenuta si decompone e si verifica un rafforzamento del materiale. Per ottenere le leghe Beta, i trattamenti di invecchiamento e distensione possono essere combinati, mentre la ricottura e il trattamento di solubilizzazione possono essere operazioni identiche.
• Come suggerisce il nome, le leghe alfa-beta sono leghe bifase 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 caratteristiche più importanti del rame sono l'elevata conduttività termica ed elettrica, la resistenza, la lavorabilità, la buona resistenza alla corrosione, l'assenza di magnetismo e la facilità di fabbricazione. I prodotti finali della fabbricazione del rame sono generalmente descritti come prodotti di fonderia e di laminazione. Questi possono includere cavi e fili, nastri, barre, tubi, fusioni, forme da metallurgia delle polveri, lamiere, lastre, barre, forgiati e altro ancora. I prodotti sopra menzionati sono realizzati utilizzando rame e le sue leghe e possono essere sottoposti a trattamento termico per le più svariate finalità.

I metodi di trattamento termico più comunemente utilizzati per il rame includono l'omogeneizzazione, la distensione, la ricottura, l'indurimento 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 determinata temperatura e poi raffreddarlo a una velocità lenta che produca una microstruttura raffinata. Questo processo può essere eseguito in modo totale o parziale separando i costituenti. Questo metodo è solitamente utilizzato per ammorbidire un metallo in vista della lavorazione a freddo, al fine di migliorarne le caratteristiche o le proprietà come la lavorabilità, la conduttività elettrica, la duttilità e la tenacità.

È utile per alleviare le tensioni nel metallo che derivano dai precedenti processi di lavorazione a freddo. Durante la ricristallizzazione, la deformazione plastica verificatasi viene eliminata quando la temperatura del metallo supera la temperatura critica superiore.

Utilizzando questo metodo di trattamento termico, i pezzi da trattare possono essere sottoposti a una vasta gamma di tecniche. Queste tecniche includono, senza limitarsi a esse, 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 prevede una velocità di raffreddamento più rapida fino a includere la normalizzazione, per produrre una microstruttura uniforme. La ricottura completa, d'altro canto, prevede un raffreddamento lento per produrre una forma di perlite grossolana.

Per i metalli non ferrosi, essi 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 di trattamento termico di normalizzazione viene utilizzata quando è necessario alleviare le tensioni interne. Queste tensioni possono essere causate da processi come la fusione, la saldatura o la tempra. Questo processo richiede di riscaldare i pezzi metallici a una temperatura superiore di 40oC rispetto alla loro temperatura critica superiore.

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

Questa tecnica è vantaggiosa perché produce martensite, perlite e persino bainite. Ciò produce un acciaio più duro e più resistente dell'acciaio ricotto. È un dato di fatto che l'acciaio normalizzato è più tenace di qualsiasi acciaio trattato termicamente. Per questo motivo, i pezzi che devono sopportare carichi esterni massicci o che hanno applicazioni di resistenza all'urto vengono sempre normalizzati. Questo aiuterà il pezzo a soddisfare i requisiti del pezzo necessario per il progetto.

Distensione

Quando alcuni pezzi vengono sottoposti a processi come formatura, laminazione, raddrizzatura o lavorazione, ciò lascia alcune specifiche tensioni interne sul pezzo. Per alleviare queste tensioni interne, si utilizza la tecnica di trattamento termico di distensione.

La tecnica di trattamento termico di distensione viene utilizzata per ridurre o eliminare le tensioni accumulatesi in un pezzo a causa delle precedenti attività tecniche eseguite su tali pezzi. Si esegue per lo più riscaldando i pezzi a una temperatura inferiore alla temperatura critica e poi raffreddandoli in modo uniforme.

La tecnica di trattamento termico di distensione viene utilizzata su articoli tra cui 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 del carico di snervamento dei metalli malleabili. Il meccanismo d'azione di questa tecnica produce particelle disperse uniformemente all'interno della struttura dei grani di un metallo, che determinano cambiamenti nelle proprietà.

Dopo la tecnica di trattamento termico che raggiunge temperature elevate viene l'indurimento per precipitazione. L'invecchiamento, invece, eleva la temperatura solo fino a un livello ottimale e la riduce rapidamente di nuovo.

Mentre alcuni metalli invecchiano naturalmente (a temperatura ambiente), altri invecchiano artificialmente, essenzialmente a temperature elevate. È molto semplice conservare i metalli che invecchiano naturalmente a temperature inferiori. Le leghe che invecchiano naturalmente in alcune applicazioni vengono conservate nel congelatore per evitare l'indurimento fino al momento dell'utilizzo. Le leghe che possono subire indurimento per precipitazione includono leghe di alluminio (serie 2000, serie 6000 e serie 7000), acciai (acciaio maraging) e molte altre.

Tempra

La tempra o indurimento per tempra prevede il riscaldamento dei pezzi al di sopra della loro temperatura critica superiore e il rapido ritorno della temperatura di tali pezzi a quella ambiente. Il ritorno a temperatura ambiente avviene immergendo il metallo caldo in olio, salamoia, un polimero disciolto in acqua o un altro liquido adatto per indurire completamente la struttura. Questo processo viene eseguito in modo rapido. La tempra viene effettuata sia per le leghe ferrose sia per quelle non ferrose. Mentre i metalli non ferrosi producono pezzi più teneri del normale, le leghe ferrose producono un pezzo più duro.

La durezza dopo tempra del pezzo desiderato dipende dal metodo di tempra utilizzato e dalla composizione chimica del metallo. La tempra viene effettuata per i metalli ferrosi, tra cui ferro e acciaio, e per i metalli non ferrosi, tra cui leghe di nichel, rame, alluminio e molte altre. Tuttavia, la maggior parte dei metalli non ferrosi produce un effetto opposto quando viene temprata. Tali materiali includono alluminio, rame o nichel, acciai inossidabili austenitici come 316 e 304.

Indurimento

Nell'ambito del trattamento termico, l'indurimento è la tecnica più comune utilizzata per aumentare la durezza dei pezzi. In alcune situazioni viene indurita solo la superficie di questi pezzi.

A tal fine, il pezzo destinato al trattamento termico viene indurito mediante trattamento termico a una temperatura specificata e poi raffreddato rapidamente immergendolo in un mezzo di raffreddamento. I mezzi di raffreddamento da utilizzare includono, a titolo non esaustivo, salamoia, acqua o olio. Il prodotto finale del trattamento termico per indurimento aumenterà la resistenza e la durezza, tuttavia la fragilità del materiale aumenterà contemporaneamente.

Un tipo di processo di indurimento è la cementazione, in cui solo i pezzi metallici presentano durezza dello strato esterno. Ciò significa che il pezzo risultante avrà un nucleo più tenero 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.

Rinvenimento

Il rinvenimento è una tecnica di trattamento termico utilizzata per aumentare la resilienza delle leghe a base di ferro come l'acciaio. Sebbene le leghe a base di ferro presentino un elevato livello di durezza, sono spesso 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 al fine di facilitare la lavorazione. A tal fine, il pezzo viene sottoposto a trattamento termico al di sotto del punto critico, poiché una temperatura inferiore riduce la fragilità mantenendo la durezza del pezzo. D'altra parte, se è richiesta una maggiore plasticità con minore durezza e resistenza, è necessaria una temperatura più elevata.

Un altro approccio consiste nell'acquistare pezzi già induriti o nell'indurire 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 dimensionali del pezzo. Questo processo aiuta anche a eliminare la necessità di un reparto 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 per ossidazione sia applicando calore. È un fenomeno di degrado superficiale nel trattamento termico e nella forgiatura dell'acciaio. Può anche essere descritta come un processo metallurgico in cui la superficie dell'acciaio viene impoverita del suo contenuto di carbonio. Ciò avviene principalmente per azione chimica o riscaldando il pezzo in acciaio al di sopra della temperatura critica inferiore.

Il contenuto di carbonio del metallo influenza la durezza del metallo. Durante il processo di decarburazione, il carbonio diffonde dalla superficie del metallo, portando così all'indebolimento del metallo. Mentre il processo riduce la resistenza del metallo, aumenta anche la deformazione a taglio al di sotto della superficie del metallo. Riduce inoltre la resistenza alla fatica, mentre il tasso di usura e la crescita delle cricche aumentano.

Processo comune di trattamento termico

Esiste un'ampia varietà di tecniche di trattamento termico utilizzate nell'ambito produttivo. Ogni tecnica di trattamento termico ha risultati diversi, ma tutte condividono fasi comuni, tra cui:

• Riscaldamento
• Mantenimento in temperatura
• Raffreddamento

Riscaldamento

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

Ad esempio, una miscela meccanica può essere paragonata al calcestruzzo, così come sabbia e ghiaia sono tenute insieme in un unico blocco 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 base.

Una soluzione solida è una soluzione in cui due o più metalli vengono assorbiti in un altro per formare un unico corpo. Pertanto, quando una lega si trova sotto forma di soluzione solida, gli elementi e i composti che la costituiscono si assorbono reciprocamente.

A temperatura ambiente, il metallo in forma di miscela meccanica passa a una soluzione parziale, o soluzione solida, quando viene riscaldato. Durante questo processo, le proprietà chimiche e la composizione del pezzo possono variare nella dimensione del grano e nella struttura. A seconda della tecnica utilizzata, è possibile che la lega si trovi in uno dei tre stati illustrati in precedenza.

Mantenimento in temperatura

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 finché il calore non è distribuito in modo uniforme, condizione nota come mantenimento in temperatura. La durata della permanenza a questa temperatura dipende dai requisiti. Ad esempio, maggiore è la massa del pezzo, più lungo sarà il tempo necessario per il mantenimento in temperatura. Un altro fattore che influisce sulla durata è il tipo di materiale.

Raffreddamento

Dopo che il pezzo è stato mantenuto correttamente in temperatura, la fase successiva è il raffreddamento. In questa fase la struttura del pezzo può subire cambiamenti passando da una composizione chimica a un'altra, può tornare alla forma originale oppure 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 delle due forme oppure trasformarsi in una miscela meccanica. È un fatto interessante che il risultato sia prevedibile, pertanto si può prevedere che il pezzo si presenti come atteso.

Di conseguenza, è possibile conferire a una vastissima varietà di metalli strutture specifiche per aumentarne la tenacità, la durezza, la resistenza alla trazione, la duttilità e molte altre proprietà.

Attrezzature necessarie per il trattamento termico

Per ottenere un processo di trattamento termico efficace è necessario un controllo rigoroso di tutti i fattori che influenzano il riscaldamento e il raffreddamento del pezzo. Tale controllo è possibile solo disponendo delle attrezzature adeguate, conformi ai requisiti del progetto. Pertanto, il forno utilizzato deve essere del tipo e delle dimensioni appropriati, con una temperatura controllata e mantenuta entro i limiti prescritti per ciascuna operazione.

Inoltre, le condizioni atmosferiche all'interno del forno possono influire sullo stato dei pezzi da trattare termicamente. Inoltre, il mezzo di tempra e le attrezzature 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 riportati i diversi tipi di forni necessari per il processo di trattamento termico:

• Forno a carica discontinua: costituito da camere isolate dotate di un sistema di riscaldamento, un involucro in acciaio e un accesso alla camera.
• Forno a campana: costituito da coperchi rimovibili denominati campane, che possono essere abbassati sul carico e sul piano del forno tramite gru
• Forno a camera: la maggior parte è stata aggiornata a forno a carica discontinua semiautomatico, con caratteristiche quali camere di raffreddamento lento e vasche di tempra integrate.
• Forno a carrello: noto anche come forno a suola mobile, è un forno a carica discontinua estremamente grande con un carrello isolato mobile che può essere spostato dentro e fuori dal forno.
• Forno a elevatore: il piano del forno e il carrello vengono fatti scorrere in posizione sotto il forno, a differenza del forno a carrello
• Forno a letto fluido: costituito da una ritorta cilindrica realizzata in lega ad alta temperatura.
• Forno a fossa: il forno è costruito in una fossa e si estende a livello del pavimento o leggermente al di sopra
• Forno a bagno di sali: utilizza diversi tipi di sali per il trattamento termico

Riepilogo

In conclusione, il trattamento termico è un modo di utilizzare tecniche controllate di riscaldamento e raffreddamento per modificare le proprietà fisiche dei metalli e migliorarli. Di conseguenza, tali metalli acquisiscono la capacità di essere impiegati in un'ampia varietà di settori industriali. Inoltre, il trattamento termico è una parte essenziale del processo di lavorazione di precisione per trasformare i componenti e garantire che i Suoi pezzi si comportino come previsto per i Suoi progetti.