Comportamento dei metalli: che cos è la HAZ o zona termicamente alterata?

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1 Comportamento dei metalli: che cos è la HAZ o zona termicamente alterata? La HAZ o zona termicamente alterata è un fenomeno che pone problemi di resistenza meccanica e corrosione nel taglio dell'acciaio. Da che cosa dipende? E come si risolve? L'ingegnere meccanico fa il punto La maggior parte delle tecniche di taglio della lamiera si basano sulla fusione del materiale. La parte di acciaio modificata dal calore che si trova tra la zona fusa e il limite del metallo base è chiamata zona termicamente alterata, o HAZ (Heat-Affected Zone). Spesso la si riconosce per una serie di fasce colorate, visibili anche nelle saldature. Il colore è dovuto all ossidazione superficiale, e ci indica approssimativamente la temperatura raggiunta dalla lamiera: Colore Temperatura giallo chiaro 290 C giallo paglierino 340 C giallo intenso 370 C marrone 390 C

2 marrone violaceo 420 C viola scuro 450 C blu 540 C blu scuro 600 C Questa tabella rappresenta la colorazione da ossidazione che si forma sull acciaio inossidabile tipo (AISI 304) se riscaldato in aria libera. Questi colori, detti anche heat tint, dipendono da quattro fattori: il contenuto di cromo nell acciaio: questo metallo aumenta la resistenza del materiale all ossidazione, quindi anche la colorazione sarà meno accentuata o rallentata; il livello di ossigeno: nella saldatura, l uso di gas di protezione e il rivestimento dell elettrodo possono ridurre la colorazione perché proteggono in parte il metallo dall ossidazione; una maggiore rugosità della superficie aumenta la velocità di ossidazione e rende i colori più intensi; la presenza di sostanze come vernice, olio, ossido, e perfino le impronte digitali possono alterare la colorazione superficiale, ma non influenzano l estensione della zona di influenza termica. In alcuni casi, l area modificata termicamente può non causare questi aloni, oppure estendersi ben oltre la zona colorata. La zona modificata può invece causare uno scolorimento della lamiera, e non una colorazione. Da cosa dipende? Dal punto di vista del materiale, il fattore più importante è il coefficiente di diffusività termica. La diffusività dipende dalla conducibilità termica, dalla densità del materiale, e

3 dal suo calore specifico. Più la diffusività termica è alta, più velocemente si propaga non il calore, ma le variazioni di calore. In altre parole, più la diffusività è alta, più il raffreddamento è veloce e la HAZ è ridotta. Al contrario, coefficienti più bassi significano che il calore non riesce ad essere dissipato e la zona di influenza termica è più estesa. L acciaio inossidabile 304A, ad esempio, ha una diffusività termica di 4,2 mm²/s, molto inferiore all acciaio da costruzione (11,72 mm²/s). Dal punto di vista del processo produttivo, l estensione della HAZ dipende da tre fattori: la quantità di calore applicato, la durata dell esposizione, e l area interessata. Fornendo grandi quantità di energia, per lungo tempo, e con fasci più ampi si generano zone di influenza termica più ampie. Questo spiega perché, a prescindere dal materiale, ogni tecnica di taglio provochi un diverso effetto: La cesoiatura ed il taglio ad acqua, in particolare, non provocano HAZ perché non surriscaldano la lamiera; Il taglio laser, applicando il calore in un area molto ristretta, genera la zona di influenza termica minore tra i sistemi di taglio termico; Il taglio al plasma genera una HAZ intermedia, perché il suo fascio è più ampio. Un amperaggio più alto permette una velocità di taglio superiore, riducendo il tempo di applicazione del calore e quindi l ampiezza della zona interessata; L ossitaglio invece, a causa dell intenso calore, della bassa velocità e dell ampiezza del getto, causa la zona di influenza più estesa tra tutti i sistemi. Cosa comporta la HAZ?

4 Il calore del processo di taglio o di saldatura, e il rapido raffreddamento che segue, provocano dei cambiamenti sia a livello chimico che metallurgico. L ossidazione è il cambiamento più evidente e istantaneo, e come abbiamo visto è anche responsabile delle fasce colorate. Si può anche verificare una leggera nitrurazione della superficie, che aumenta la durezza del metallo e ne diminuisce la saldabilità. Un altro fenomeno molto diffuso è la corrosione derivante dalla sensibilizzazione dell acciaio inossidabile. Il calore fa reagire il carbonio con il cromo, generando carburi che precipitano ai bordi dei grani. In queste zone il contenuto di cromo scende sotto il 10,5%, e l acciaio non sarà più inossidabile. Si genera così la famosa corrosione intergranulare. Nei casi estremi, il metallo diventerà di colore nero. Le alte temperature possono provocare anche l infragilimento da idrogeno. Il gas si infiltra all interno del metallo ed esercita una forte pressione intergranulare, indebolendolo. Se l idrogeno non viene rimosso per tempo, si possono verificare cricche spontanee anche 24 ore dopo il riscaldamento. Dal punto di vista metallurgico, il calore applicato genera una tempra localizzata. In determinate circostanze, l acciaio inossidabile austenitico può diventare martensitico, aumentando la propria durezza e al contempo la propria fragilità. In altri casi, il metallo riscaldato può subire un indebolimento. Come gestire la HAZ? Come abbiamo visto, la zona di influenza termica altera molto le caratteristiche del metallo dichiarate dal laminatoio. Nell ambito della pressopiegatura, la HAZ rende difficile gestire l angolo di piega perché diventa impossibile prevedere

5 come si comporterà il metallo dopo il taglio. Uno dei fenomeni toccati è il ritorno elastico. Per riuscire ad ottenere un angolo preciso al variare dello springback, è utile avere un sistema di controllo dell angolo. Ce ne sono di due tipi: a misurazione laser o per contatto. I primi sono abbastanza diffusi ma sono ingombranti e con hanno dei grossi limiti con le flange ridotte, le contropieghe, le superfici molto irregolari o molto lucide. I sistemi per contatto GPS4, sono più precisi e non hanno problemi di contropieghe o flange ma hanno un escursione angolare leggermente inferiore. L altro problema sorge con la bombatura. I pezzi tagliati saranno di volta in volta diversi, e solleciteranno la macchina in modo imprevedibile. Per questo è importante affidarsi ad una macchina con un controllo della bombatura in tempo reale ACSG, in grado di compensare la deformazione e di ottenere angoli regolari lungo tutta la lunghezza del profilo. Le fasce colorate provocate dall ossidazione possono essere rimosse con carta vetrata fine o con una mola a disco. Così si scopre lo stato sottostante e si attiva l autopassivazione del cromo, ma si rischia di indebolire e di assottigliare il metallo. Per quanto riguarda l intera estensione della zona termicamente alterata, invece, l unica soluzione è rimuovere con lavorazioni successive tutta la parte di metallo interessata, al prezzo di un alto spreco di materiale e di tempo. Copyright - Riproduzione riservata