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PolskiCome scegliere il miglior trattamento termico – Guida al processo
Nel processo di progettazione dei componenti delle attrezzature, considerazioni chiave come la durezza e la resistenza agli urti giocano ruoli fondamentali nel definire la loro funzionalità. Certi componenti necessitano di specifici livelli di durezza o resilienza, in particolare quelli coinvolti in interazioni di scorrimento con altre parti o soggetti a forze d'impatto.
Nei casi in cui sono richieste proprietà speciali, affidarsi esclusivamente alle caratteristiche intrinseche del materiale può essere insufficiente. In tali situazioni, il trattamento termico è la soluzione che può ottenere le caratteristiche necessarie per le parti personalizzate. Tuttavia, selezionare il materiale appropriato e il metodo di trattamento termico per ottenere le proprietà desiderate può essere impegnativo a causa della varietà e complessità delle opzioni di trattamento termico disponibili.
Il trattamento termico si presenta in vari tipi ed è adattato a diversi materiali e scopi. Di conseguenza, molti progettisti potrebbero non esserne familiari a meno che non abbiano requisiti specifici.
In questo articolo, abbiamo raccolto informazioni di base e punti chiave per scegliere e applicare il trattamento termico comunemente usato per i componenti delle attrezzature.
Trattamenti Termici Comuni
Il trattamento termico comporta il sottoporre i componenti a processi di riscaldamento e raffreddamento controllati per indurre alterazioni nella loro struttura complessiva o superficiale. Particolarmente con gli acciai contenenti carbonio, il trattamento termico può modificare significativamente proprietà come durezza, resistenza alla corrosione, resistenza all'usura e tenacità all'impatto.
Questi metodi sono ampiamente classificati in "trattamento termico di massa", che tratta l'intero componente, e "trattamento termico superficiale", che mira principalmente alla superficie del componente. Il trattamento termico di massa comprende processi come tempra e rinvenimento, ricottura e normalizzazione, mentre i metodi di trattamento termico superficiale includono indurimento per induzione, cementazione e nitrurazione.
Gli effetti del trattamento termico dipendono da fattori come la temperatura di riscaldamento, la velocità di raffreddamento e il mezzo di raffreddamento impiegato. Il raffreddamento rapido, come si vede nella tempra, generalmente porta a un aumento della durezza sebbene con una maggiore fragilità. Al contrario, metodi di raffreddamento più lenti, come la ricottura e la normalizzazione, mirano a raffinare la struttura del materiale.
Diverse tecniche di raffreddamento, tra cui tempra in acqua, tempra in olio, raffreddamento ad aria e raffreddamento in forno, sono scelte in base ai risultati desiderati del processo di trattamento termico.
È imperativo considerare attentamente il contenuto successivo per determinare la combinazione ottimale di materiale e trattamento termico per ottenere la funzionalità e le prestazioni desiderate dei componenti delle vostre attrezzature.
Basi del Trattamento Termico di Massa
Le composizioni di acciaio contenenti diversi livelli di carbonio mostrano temperature di trasformazione distinte, particolarmente intorno alla soglia critica dello 0,8% di contenuto di carbonio. Gli acciai con esattamente lo 0,8% di contenuto di carbonio rientrano nella categoria degli acciai eutettoidi, mentre quelli al di sotto di questa soglia sono classificati come acciai ipoeutettoidi, e quelli che la superano sono definiti acciai ipereutettoidi.
Tipi e Processi di Trattamento Termico
Il trattamento termico comporta il sottoporre i componenti in acciaio a processi di riscaldamento controllato e successivo raffreddamento, inducendo alterazioni nella loro struttura complessiva o superficiale. Questo processo trasformativo influenza proprietà cruciali dell'acciaio, inclusa la durezza, la resistenza alla corrosione, la resistenza all'usura e la resistenza all'impatto.
Le metodologie di trattamento termico sono ampiamente categorizzate in due flussi: trattamento termico di massa, che riguarda l'intero componente, e trattamento termico superficiale, che mira principalmente agli strati superficiali. Il trattamento termico di massa comprende processi come tempra e rinvenimento, ricottura e normalizzazione. Al contrario, i metodi di trattamento termico superficiale comprendono la tempra a induzione, la carburazione e la nitrurazione.
L'efficacia del trattamento termico dipende da diversi fattori, tra cui la temperatura e la velocità di riscaldamento e raffreddamento. Il rapido raffreddamento dopo il riscaldamento, come osservato nella tempra, tipicamente aumenta la durezza sebbene con un potenziale compromesso in fragilità. Al contrario, i metodi di raffreddamento più lenti, esemplificati nella ricottura e nella normalizzazione, mirano a raffinare la struttura del materiale senza comprometterne l'integrità.
Diverse tecniche di raffreddamento, come la tempra in acqua, la tempra in olio, il raffreddamento ad aria e il raffreddamento in forno, sono selezionate meticolosamente in base ai risultati desiderati del processo di trattamento termico.
Comprendere le sezioni successive fornirà preziose intuizioni per determinare le combinazioni ottimali di materiali e trattamenti termici su misura per ottenere le proprietà e i livelli di prestazione desiderati.
Tempra/Rinvenimento: Comprendere il Processo
L'acciaio, quando riscaldato a temperature intorno agli 800°C, si trasforma in una struttura nota come "austenite". Questa trasformazione è cruciale per preparare il materiale per ulteriori lavorazioni. Successivamente, il materiale viene rapidamente raffreddato, un processo chiamato "tempra", per indurre la formazione di una struttura indurita nota come "martensite".
Mentre la tempra aumenta la durezza, spesso introduce fragilità, rendendo il materiale inadatto all'uso immediato. Per affrontare questo problema, il materiale subisce un processo chiamato "rinvenimento", dove viene riscaldato nuovamente a una temperatura inferiore rispetto alla tempra e poi raffreddato lentamente. Durante il rinvenimento, la temperatura di riscaldamento gioca un ruolo cruciale. Il riscaldamento a temperature più elevate riduce la durezza e aumenta la duttilità, noto come "rinvenimento ad alta temperatura". Al contrario, il riscaldamento a temperature più basse dà priorità alla durezza rispetto alla duttilità, definito "rinvenimento a bassa temperatura".
Tipicamente, la tempra e il rinvenimento vengono eseguiti come un set, garantendo l'equilibrio ottimale di durezza e duttilità nel prodotto finale.
La tempra coinvolge un processo di riscaldamento e successivo raffreddamento attentamente controllato.
Il riscaldamento viene effettuato in forni specializzati, aumentando la temperatura del materiale fino al punto in cui si trasforma in austenite. La temperatura varia a seconda del tipo di acciaio, con gli acciai ipereutettoidi che richiedono temperature intorno ad A3 e gli acciai ipereutettoidi che necessitano di temperature leggermente superiori ad A1 (circa 30-50°C).
Un attento controllo della temperatura è cruciale durante il processo di tempra per garantire una trasformazione efficace. Superare o non raggiungere l'intervallo di temperatura ottimale può comportare una trasformazione incompleta o proprietà indesiderate nel prodotto finale.
Dopo il riscaldamento, il materiale subisce un rapido raffreddamento per indurre la formazione di martensite. Diverse metodologie di raffreddamento, come la tempra in acqua, la tempra in olio, il raffreddamento ad aria, soluzioni acquose e il raffreddamento in bagno di sale, vengono impiegate in base al risultato desiderato e alle caratteristiche del materiale.
Ogni metodo di raffreddamento offre vantaggi e sfide uniche. Ad esempio, la tempra in acqua fornisce velocità di raffreddamento rapide a basso costo ma può portare a deformazioni se non eseguita correttamente. Al contrario, la tempra in olio offre un raffreddamento più uniforme ma a una velocità più lenta.
Ricottura
La ricottura è un processo di trattamento termico in cui i metalli vengono gradualmente raffreddati dopo essere stati riscaldati, risultando in una struttura uniforme e più morbida. Questa tecnica allevia le tensioni interne e migliora la lavorabilità. La ricottura comprende vari metodi come la ricottura completa, la ricottura di ammorbidimento, la ricottura di distensione, la ricottura di diffusione e la ricottura sferoidizzante, ciascuno su misura per specifici intervalli di temperatura a seconda del risultato desiderato. Sebbene comunemente applicata all'acciaio al carbonio, la ricottura è utilizzata anche per acciaio inossidabile, leghe di alluminio e altri materiali.
La ricottura è spesso associata al concetto di "ammorbidimento" del materiale, rendendolo più lavorabile.
Inoltre, la ricottura elimina le tensioni residue dai componenti e ne migliora la lavorabilità applicando calore. Per i prodotti di lavorazione a taglio sottile, un trattamento di ricottura tempestivo può migliorare la precisione del prodotto finale.
La ricottura può essere eseguita sia su materie prime che su componenti parzialmente lavorati. Particolarmente per materiali come EN 1.4301 equiv. (SUS304), soggetti a deformazione a causa delle tensioni di lavorazione, la ricottura offre una maggiore precisione, come nella planarità.
Impegnarsi in uno scambio attivo di informazioni con il piano di produzione può aiutare a determinare la fattibilità e il tempismo dei processi di ricottura.
Normalizzazione
La normalizzazione è un metodo di trattamento termico utilizzato per omogeneizzare e raffinare la struttura dei componenti in acciaio prodotti in condizioni come fusione, forgiatura o laminazione, che possono introdurre tensioni interne. La normalizzazione allinea la struttura, garantendo le proprietà meccaniche desiderate.
Tempra ad Induzione ad Alta Frequenza
La tempra ad induzione ad alta frequenza è un metodo di trattamento superficiale che riscalda selettivamente solo la porzione superficiale di un componente a temperature superiori agli 800°C utilizzando il riscaldamento a induzione a corrente alternata. Impiegato principalmente per migliorare la durezza e la resistenza alla fatica di componenti a forma di albero o ingranaggio, questo metodo prevede il posizionamento del componente vicino a una bobina di riscaldamento elettrico e il passaggio di correnti indotte ad alta frequenza attraverso la bobina per riscaldare rapidamente la superficie del componente tramite riscaldamento resistivo. Il successivo rinvenimento a basse temperature ripristina la duttilità.
La tempra ad induzione ad alta frequenza tratta solo la superficie, risultando in una maggiore durezza e resistenza all'usura mantenendo la tenacità all'interno. Poiché il riscaldamento avviene solo parzialmente, le deformazioni e i cambiamenti dimensionali sono minimizzati.
Per i componenti a forma di albero, possono verificarsi distorsioni post-trattamento termico come la flessione, richiedendo raddrizzamento tramite presse. L'indurimento superficiale tramite tempra ad induzione ad alta frequenza induce tensioni residue di compressione sulla superficie, migliorando la resistenza alla fatica. Inoltre, la durezza superficiale ottenuta tramite tempra ad induzione ad alta frequenza è leggermente superiore a quella ottenuta tramite tempra e rinvenimento convenzionali.
Considerata ecologica grazie al suo breve tempo di riscaldamento, la tempra ad induzione ad alta frequenza offre il vantaggio di specificare le aree e la profondità dell'indurimento. Sebbene sia una forma di indurimento superficiale, altri metodi includono la tempra a fiamma (HQF), la tempra a fascio di elettroni e la tempra a laser.
Trattamento di Carburazione
Per indurire l'acciaio tramite tempra, il carbonio è essenziale. Mentre l'acciaio con alto contenuto di carbonio, come l'acciaio al carbonio, è adatto alla tempra, l'acciaio con basso contenuto di carbonio, come l'acciaio a basso tenore di carbonio, non risponde bene a questo processo. In tali casi, il trattamento di carburazione viene impiegato per aumentare il contenuto di carbonio sulla superficie, facilitando la tempra.
L'acciaio a basso tenore di carbonio, sebbene economico e dotato di eccellente lavorabilità rispetto all'acciaio ad alto tenore di carbonio, spesso manca di durezza. Il trattamento di carburazione migliora selettivamente la durezza superficiale, sfruttando i punti di forza dell'acciaio a basso tenore di carbonio mentre ne rinforza le debolezze.
Durante il trattamento di carburazione, il componente viene riscaldato insieme a un agente carburante, permettendo al carbonio di diffondersi e permeare la superficie. Diversi metodi di trattamento di carburazione includono la carburazione solida (carbone), la carburazione liquida (sale di cianuro) e la carburazione gassosa (gas idrocarburico), a seconda del tipo di agente carburante utilizzato.
Poiché il trattamento di carburazione comporta un riscaldamento prolungato ad alte temperature, la struttura nella parte centrale del componente subisce una trasformazione. Pertanto, i processi di tempra e rinvenimento sono tipicamente condotti dopo il trattamento di carburazione. Utilizzato principalmente per l'acciaio a basso tenore di carbonio, questo trattamento risulta in una superficie con maggiore durezza e resistenza all'usura, mantenendo una struttura interna flessibile.
Nitrurazione
Il trattamento di nitrurazione comporta l'aumento della durezza della superficie di un componente introducendo composti di azoto. I metodi includono la nitrurazione gassosa, la nitrurazione in bagno di sale, la nitrurazione gassosa dolce e la nitrurazione ionica. Esponendo la superficie a un'atmosfera contenente ammoniaca o azoto a temperature inferiori alla temperatura di austenizzazione, l'azoto permea la superficie, risultando in un indurimento.
Il trattamento di nitrurazione non richiede un aumento della temperatura di trattamento, eliminando la necessità di trattamenti termici post-trattamento e minimizzando la deformazione. Si divide in trattamento di nitrurazione, che raggiunge una durezza di circa 1000HV, e trattamento di nitrurazione dolce, che raggiunge circa 600HB e mira a migliorare la resistenza alla fatica.
A causa della bassa temperatura di trattamento, anche gli acciai temprati e rinvenuti possono ottenere un aumento della durezza superficiale mantenendo la durezza interna. È noto anche per essere utilizzato per acciai inossidabili austenitici come EN 1.4301 equiv. (SUS304) e EN 1.4401 equiv. (SUS316). Lo spessore e la durezza dello strato nitrurato variano con la temperatura di trattamento, tipicamente compresi tra 0,1 e 0,5mm.
Conclusione - Punti Chiave da Considerare nella Progettazione per il Trattamento Termico
In questo articolo del blog abbiamo trattato i trattamenti termici comuni utilizzati nei componenti delle attrezzature. È evidente che il trattamento termico è un mezzo altamente efficace per indurire le superfici, migliorare la resistenza all'usura e aumentare la resistenza agli urti nei componenti. Tuttavia, è cruciale prestare attenzione a certe considerazioni progettuali quando si utilizza il trattamento termico.
Un aspetto significativo da notare è che il trattamento termico può portare a deformazioni e cambiamenti dimensionali a causa dell'applicazione di calore. Le aree di precisione possono richiedere di lasciare tolleranze per i processi di finitura post-trattamento per ottenere forme accurate.
I componenti induriti tramite trattamento termico possono presentare sfide per la lavorazione con frese, specialmente quando la durezza supera HRC60. Pertanto, è essenziale determinare l'estensione e la posizione delle tolleranze e dei metodi di finitura in anticipo.
La rettifica è relativamente semplice per superfici e forme cilindriche. Tuttavia, per forme con gradini, sono necessari metodi di rettifica speciali come la rettifica di scarico (ad esempio, scanalature di scarico) per prevenire il contatto tra la mola e la superficie.
Per forme complesse dove la lavorazione convenzionale è difficile, la finitura può richiedere macchine di rettifica specializzate, potenzialmente aumentando i costi di lavorazione. Minimizzare le aree che richiedono finitura può aiutare a ridurre i costi, quindi sforzarsi per progetti che richiedono una finitura minima.
Se la deformazione è una preoccupazione, optare per il trattamento di nitrurazione può essere un'alternativa valida. Inoltre, se è necessaria una durezza superficiale, considerare alternative come la cromatura dura o la nichelatura, che sono state introdotte in precedenza.
Utilizzare efficacemente i metodi di trattamento termico discussi qui nei vostri progetti può portare a progetti razionali ed efficienti.
