TRATTAMENTI TERMICI DEI MATERIALI FERROSI

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1 TRATTAMENTI TERMICI DEI MATERIALI FERROSI Tempra Processi di tempra A seconda di come viene eseguito il trattamento, consentono di ottenere: un cambiamento di struttura totale a temperatura ambiente con notevole incremento di durezza. un cambiamento di struttura parziale a temperatura ambiente. il bloccaggio della trasformazione dell austenite in ferrite+cementite. Il riscaldamento può essere esteso: a tutto il volume del materiale: tempra diretta. alla sola superficie del pezzo: tempra superficiale. 2 1

2 Variazioni di stato allotropico Condizioni di equilibrio termodinamico 3 Raffreddamento rapido dell austenite Spegnimento 4 2

3 Micrografia della martensite 5 Durezza degli acciai temprati Non è possibile ottenere martensite negli acciai con tenore di carbonio inferiore allo 0,2% 6 3

4 Resistenza meccanica degli acciai temprati 7 Presenza di austenite residua Quando le velocità di raffreddamento sono talmente elevate da non consentire la trasformazione dell austenite in martensite si ha presenza di austenite (austenite residua) anche a temperature inferiori a quelle di stabilità dell austenite. Martensite Austenite residua 8 4

5 Velocità critica di tempra A Ar 1 Velocità critica inferiore Velocità critica superiore F+P (A)+ S.I. M M+(A) A= austenite F= ferrite M= martensite (A)= austenite residua S.I.= strutture intermedie 9 Formazione della martensite Martensite start Martensite finish Per gli acciai con tenore di carbonio superiore allo 0,6% il processo di formazione della martensite è incompleto a temperatura ambiente. 10 5

6 Strutture al variare della velocità di raffreddamento 11 Tempra diretta Scopo: ottenere acciai duri e resistenti all usura. Procedimento: riscaldamento lento a temperatura superiore a Ac 3 (Ac 1 se l acciaio è ipereutettoide) fino alla completa austenizzazione. permanenza alla temperatura di tempra per un tempo variabile in funzione del tipo di acciaio e di forma e dimensioni del pezzo (da 2 fino a 10 h). raffreddamento (spegnimento) in acqua o olio con una velocità superiore alla velocità critica di tempra. eventuale rinvenimento a bassa temperatura per limitare l infragilimento eccessivo. 12 6

7 Ciclo di tempra diretta Temperatura di rinvenimento: -acciai non legati o debolmente legati: C -acciai fortemente legati: C 13 Temprabilità degli acciai Criterio di valutazione della temprabilità: profondità di trasformazione martensitica all interno del pezzo, indipendentemente dal valore massimo di durezza rilevata La temprabilità definisce la penetrazione della durezza all interno dello spessore. La durezza ha andamento decrescente dall esterno verso l interno del pezzo. Un materiale è molto temprabile se la variazione relativa di durezza tra superficie e cuore è piccola. 14 7

8 Curve a U Acciaio non legato C45 Acciaio deb. Legato 30 Cr Ni Mo 8 L acciaio legato risulta più temprabile dell acciaio non legato. La durezza sia al cuore che in superficie diminuisce all aumentare del diametro. 15 Prova di temprabilità Jominy Procedimento di prova: Riscaldamento fino alla temperatura di tempra. Permanenza alla temperatura di tempra per un tempo di 30 min. Raffreddamento nel dispositivo di tempra per 10 min. Spianatura di una generatrice con asportazione di 0,4 0,5 mm di spessore. Misurazione della durezza HRC o HV: impronte a 1, mm dall estremità a contatto con il getto. 16 8

9 Curve di temprabilità Jominy Acciaio molto temprabile Acciaio poco temprabile 17 Confronto tra curve Jominy 18 9

10 Banda di temprabilità I risultati della prova Jominy possono variare in modo significativo anche su uno stesso acciaio. I fattori che influiscono sulla temprabilità sono: diversità anche lievi di composizione chimica; presenza di impurezze; diversità dimensionali del grano austenitico; differenti condizioni di colata dell acciaio. Per questi motivi non viene fornita un unica curva di temprabilità bensì una banda di temprabilità. La curva di temprabilità rilevata deve essere compresa entro la banda di temprabilità. 19 Scelta della qualità dell acciaio +H: acciaio caratterizzato dall intera banda di temprabilità Jominy Acciai con prescrizione ristretta: +HH: la durezza può variare entro la semibanda superiore; +HL: la durezza può variare entro la semibanda inferiore

11 Diametro critico di tempra Diametro oltre il quale la struttura del cuore non è più martensitica per il 50%. Tondo con diametro superiore al valore critico 21 Determinazione del diametro critico 35 Cr Mo 4 Dc= 54 mm 22 11

12 Influenza del carbonio sulla temprabilità Gli accai con C<0,2% non sono temprabili perché non hanno sufficient carbonio per formare martensite. Gli acciai non legati sono meno temprabili degli acciai legati. Pezzi di grosse dimensioni in acciaio al carbonio sono temprabili solo in superficie. Gli acciai al carbonio sono temprabili al cuore solo se il pezzo è di piccole dimensioni e il raffreddamento avviene in modo drastico (in acqua). 23 Influenza degli elementi di lega e del grano austenitico La presenza di elementi di lega quali Cr, W, Mn, Ni consente la formazione di martensite anche con velocità di raffreddamento più basse. Per alcuni acciai fortemente legati e per gli acciai rapidi è sufficiente il raffreddamento in aria per consentire la formazione di martensite. Più il grano austenitico è grosso più la penetrazione della tempra è elevata

13 Distorsioni e cricche nei pezzi temprati Cause: differenze di temperatura tra interno ed esterno del pezzo accentuate dalla bassa conducibilità termica dell acciaio. aumento di volume nella martensite rispetto alla ferrite. 25 Formazione di strutture intermedie Esterno del pezzo a contatto con il mezzo raffreddante: elevate velocità di raffreddamento con formazione di struttura martensitica Interno del pezzo: basse velocità di raffreddamento, con formazione di strutture intermedie (bainite, troostite). Bainite e troostite: perlite a lamelle finissime. La formazione di strutture intermedie avviene con maggiore facilità negli acciai non legati. Vantaggi: pezzi con notevole durezza in superficie (resistenza all usura) e tenacità al cuore (resistenza agli urti). Martensite (chiara) Troostite (scura) 26 13

14 Avvertenze per il raffreddamento Velocità di raffreddamento troppo basse non consentono la formazione di martensite. Velocità di raffreddamento troppo elevate favoriscono le distorsioni e la possibilità di cricche. Acciai al carbonio: necessitano di raffreddamenti più rapidi (acqua). Acciai debolmente legati: raffreddamenti meno drastici (in olio). Acciai fortemente legati: possono essere temprati in aria. Nella tempra in mezzi liquidi si forma sulla superficie del pezzo caldo uno strato di vapore che rallenta il raffreddamento: è buona norma muovere il pezzo per rompere lo strato di vapore. 27 Altre avvertenze per il raffreddamneto Pezzi lunghi (assi, alberi, tubi): immersi per il lungo. Pezzi con grosse sezioni frontali: immersi frontalmente. Pezzi con fori ciechi: fori disposti verso l alto per favorire la fuoriuscita dei gas. Pezzi piatti: immersione dal lato più stretto. I pezzi di grandi dimensioni devono essere raffreddati in due tempi prima in acqua (per breve tempo) e poi in olio per prevenire la nascita di tensioni interne. Pezzi grandi o lunghi possono essere raffreddati prima in sali caldi fusi (a temperature superiori a Ms) e successivamente in aria

15 Tempra superficiale Scopo: ottenere un indurimento limitato alla sola superficie del pezzo (pezzi resistenti all usura e agli urti). Materiali: acciai non legati con C= 0,35 0,80% o acciai basso legati con medio tenore di carbonio (39 Ni Cr Mo 3). Procedimento: rapido e forte riscaldamento dello spessore interessato dal trattamento. rapido raffreddamento in acqua o in olio. 29 Tempra superficiale a induzione Generatori: a bassa frequenza (f< 5 khz), a media frequenza (f da 5 khz a 30 khz); ad alta frequenza (f= 200 khz). Spessori di tempra: basse frequenze: elevati spessori; alte frequenze: bassi spessori

16 Tempra superficiale alla fiamma Elevate velocità di avanzamento bassi spessori di trattamento Basse velocità di avanzamento elevati spessori di trattamento 31 16