Ⅰ.Il concetto base del trattamento termico.
A.Il concetto base del trattamento termico.
Gli elementi di base e le funzioni ditrattamento termico:
1.Riscaldamento
Lo scopo è quello di ottenere una struttura austenite uniforme e fine.
2.Tenere
L'obiettivo è garantire che il pezzo sia completamente riscaldato e prevenire la decarburazione e l'ossidazione.
3.Raffreddamento
L'obiettivo è trasformare l'austenite in diverse microstrutture.
Microstrutture dopo il trattamento termico
Durante il processo di raffreddamento, dopo il riscaldamento e il mantenimento, l'austenite si trasforma in diverse microstrutture a seconda della velocità di raffreddamento. Microstrutture diverse mostrano proprietà diverse.
B.Il concetto base del trattamento termico.
Classificazione basata sui metodi di riscaldamento e raffreddamento, nonché sulla microstruttura e sulle proprietà dell'acciaio
1. Trattamento termico convenzionale (trattamento termico complessivo): rinvenimento, ricottura, normalizzazione, tempra
2.Trattamento termico superficiale: tempra superficiale, tempra superficiale con riscaldamento a induzione, tempra superficiale con riscaldamento a fiamma, tempra superficiale con riscaldamento a contatto elettrico.
3.Trattamento termico chimico: cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione.
4. Altri trattamenti termici: trattamento termico in atmosfera controllata, trattamento termico sotto vuoto, trattamento termico per deformazione.
C.Temperatura critica degli acciai
La temperatura critica di trasformazione dell'acciaio è una base importante per determinare i processi di riscaldamento, mantenimento e raffreddamento durante il trattamento termico. È determinato dal diagramma di fase ferro-carbonio.
Conclusione chiave:La temperatura critica di trasformazione effettiva dell'acciaio è sempre in ritardo rispetto alla temperatura critica di trasformazione teorica. Ciò significa che durante il riscaldamento è necessario il surriscaldamento e durante il raffreddamento è necessario il sottoraffreddamento.
Ⅱ.Ricottura e normalizzazione dell'acciaio
1. Definizione di ricottura
La ricottura prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura superiore o inferiore al punto critico Ac₁ mantenendolo a quella temperatura, quindi il raffreddamento lento, solitamente all'interno del forno, per ottenere una struttura vicina all'equilibrio.
2. Scopo della ricottura
①Regola la durezza per la lavorazione: raggiungimento della durezza lavorabile nell'intervallo HB170~230.
②Alleviare lo stress residuo: previene la deformazione o la rottura durante i processi successivi.
③Affina la struttura della grana: migliora la microstruttura.
④Preparazione per il trattamento termico finale: ottiene perlite granulare (sferoidizzata) per la successiva tempra e rinvenimento.
3. Ricottura sferoidizzante
Specifiche del processo: la temperatura di riscaldamento è vicina al punto Ac₁.
Scopo: sferoidizzare la cementite o i carburi nell'acciaio, ottenendo perlite granulare (sferoidizzata).
Gamma applicabile: Utilizzato per acciai con composizioni eutettoidi e ipereutettoidi.
4. Ricottura diffusa (ricottura omogeneizzante)
Specifiche del processo: la temperatura di riscaldamento è leggermente inferiore alla linea del solvus sul diagramma di fase.
Scopo: eliminare la segregazione.
①Per bassiacciaio al carboniocon un contenuto di carbonio inferiore allo 0,25%, la normalizzazione è preferita alla ricottura come trattamento termico preparatorio.
②Per l'acciaio a medio tenore di carbonio con contenuto di carbonio compreso tra 0,25% e 0,50%, è possibile utilizzare la ricottura o la normalizzazione come trattamento termico preparatorio.
③Per l'acciaio a tenore di carbonio medio-alto con contenuto di carbonio compreso tra 0,50% e 0,75%, si consiglia la ricottura completa.
④Peracciaio al carboniocon un contenuto di carbonio superiore allo 0,75%, la normalizzazione viene prima utilizzata per eliminare la rete Fe₃C, seguita dalla ricottura sferoidizzante.
Ⅲ.Tempra e rinvenimento dell'acciaio
A.Quenching
1. Definizione di tempra: la tempra comporta il riscaldamento dell'acciaio a una certa temperatura superiore al punto Ac₃ o Ac₁, mantenendolo a quella temperatura e quindi raffreddandolo a una velocità maggiore della velocità di raffreddamento critica per formare martensite.
2. Scopo della tempra: l'obiettivo primario è ottenere martensite (o talvolta bainite inferiore) per aumentare la durezza e la resistenza all'usura dell'acciaio. La tempra è uno dei processi di trattamento termico più importanti per l’acciaio.
3.Determinazione delle temperature di tempra per diversi tipi di acciaio
Acciaio ipoeutettoidico: Ac₃ + 30°C a 50°C
Acciaio eutettoide e ipereutettoide: Ac₁ da + 30°C a 50°C
Acciaio legato: da 50°C a 100°C sopra la temperatura critica
4. Caratteristiche di raffreddamento di un mezzo di tempra ideale:
Raffreddamento lento prima della temperatura "naso": per ridurre sufficientemente lo stress termico.
Elevata capacità di raffreddamento vicino alla temperatura del "naso": per evitare la formazione di strutture non martensitiche.
Raffreddamento lento vicino al punto M₅: per ridurre al minimo lo stress indotto dalla trasformazione martensitica.
5.Metodi di tempra e loro caratteristiche:
①Tempra semplice: facile da usare e adatta a pezzi piccoli e dalla forma semplice. La microstruttura risultante è la martensite (M).
②Doppia tempra: più complessa e difficile da controllare, utilizzata per pezzi di forma complessa in acciaio ad alto tenore di carbonio e acciaio legato di grandi dimensioni. La microstruttura risultante è la martensite (M).
③Broken Quenching: un processo più complesso, utilizzato per pezzi in acciaio legato di grandi dimensioni e dalla forma complessa. La microstruttura risultante è la martensite (M).
④Tempra isotermica: utilizzata per pezzi piccoli e di forma complessa con requisiti elevati. La microstruttura risultante è bainite inferiore (B).
6. Fattori che influenzano la temprabilità
Il livello di temprabilità dipende dalla stabilità dell'austenite superraffreddata nell'acciaio. Maggiore è la stabilità dell'austenite sottoraffreddata, migliore è la temprabilità e viceversa.
Fattori che influenzano la stabilità dell'austenite superraffreddata:
Posizione della curva C: Se la curva C si sposta verso destra, la velocità di raffreddamento critica per la tempra diminuisce, migliorando la temprabilità.
Conclusione chiave:
Qualsiasi fattore che sposta la curva C verso destra aumenta la temprabilità dell'acciaio.
Fattore principale:
Composizione chimica: Ad eccezione del cobalto (Co), tutti gli elementi leganti disciolti nell'austenite aumentano la temprabilità.
Quanto più il contenuto di carbonio è vicino alla composizione eutettoidica nell'acciaio al carbonio, tanto più la curva C si sposta verso destra e maggiore è la temprabilità.
7.Determinazione e rappresentazione della temprabilità
①Test di temprabilità finale: la temprabilità viene misurata utilizzando il metodo di prova di tempra finale.
②Metodo del diametro di tempra critico: il diametro di tempra critico (D₀) rappresenta il diametro massimo dell'acciaio che può essere completamente indurito in uno specifico mezzo di tempra.
B.Tempra
1. Definizione di Tempra
La tempra è un processo di trattamento termico in cui l'acciaio bonificato viene riscaldato nuovamente a una temperatura inferiore al punto A₁, mantenuto a quella temperatura e quindi raffreddato a temperatura ambiente.
2. Scopo della tempera
Ridurre o eliminare lo stress residuo: previene la deformazione o la rottura del pezzo.
Ridurre o eliminare l'austenite residua: stabilizza le dimensioni del pezzo.
Elimina la fragilità dell'acciaio temprato: regola la microstruttura e le proprietà per soddisfare i requisiti del pezzo.
Nota importante: l'acciaio deve essere temperato subito dopo la tempra.
3. Processi di tempra
1.Basso rinvenimento
Scopo: ridurre lo stress da tempra, migliorare la tenacità del pezzo e ottenere elevata durezza e resistenza all'usura.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Prestazioni: Durezza: HRC 58 ~ 64. Elevata durezza e resistenza all'usura.
Applicazioni: utensili, stampi, cuscinetti, parti cementate e componenti con superficie indurita.
2.Tempra elevata
Scopo: ottenere un'elevata tenacità insieme a resistenza e durezza sufficienti.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Prestazioni: Durezza: HRC 25 ~ 35. Buone proprietà meccaniche complessive.
Applicazioni: alberi, ingranaggi, bielle, ecc.
Raffinazione termica
Definizione: la tempra seguita dal rinvenimento ad alta temperatura è chiamata raffinazione termica o semplicemente rinvenimento. L'acciaio trattato con questo processo ha prestazioni complessive eccellenti ed è ampiamente utilizzato.
Ⅳ.Trattamento termico superficiale dell'acciaio
A. Tempra superficiale degli acciai
1. Definizione di indurimento superficiale
L'indurimento superficiale è un processo di trattamento termico progettato per rafforzare lo strato superficiale di un pezzo riscaldandolo rapidamente per trasformare lo strato superficiale in austenite e quindi raffreddandolo rapidamente. Questo processo viene eseguito senza alterare la composizione chimica dell'acciaio o la struttura centrale del materiale.
2. Materiali utilizzati per l'indurimento superficiale e la struttura post-indurimento
Materiali utilizzati per l'indurimento superficiale
Materiali tipici: acciaio a carbonio medio e acciaio legato a carbonio medio.
Pretrattamento: Processo tipico: Tempra. Se le proprietà principali non sono critiche, è possibile utilizzare invece la normalizzazione.
Struttura post-indurimento
Struttura superficiale: lo strato superficiale forma tipicamente una struttura indurita come martensite o bainite, che fornisce elevata durezza e resistenza all'usura.
Struttura del nucleo: il nucleo dell'acciaio generalmente mantiene la sua struttura originale, come perlite o stato temperato, a seconda del processo di pretrattamento e delle proprietà del materiale di base. Ciò garantisce che il nucleo mantenga una buona tenacità e resistenza.
B. Caratteristiche della tempra superficiale ad induzione
1. Temperatura di riscaldamento elevata e aumento rapido della temperatura: l'indurimento superficiale per induzione comporta in genere temperature di riscaldamento elevate e velocità di riscaldamento rapide, consentendo un riscaldamento rapido in breve tempo.
2. Struttura a grana fine di austenite nello strato superficiale: durante il rapido riscaldamento e il successivo processo di tempra, lo strato superficiale forma grani fini di austenite. Dopo la tempra, la superficie è costituita principalmente da martensite fine, con una durezza tipicamente superiore di 2-3 HRC rispetto alla tempra convenzionale.
3.Buona qualità della superficie: grazie al breve tempo di riscaldamento, la superficie del pezzo è meno soggetta all'ossidazione e alla decarburazione e la deformazione indotta dalla tempra è ridotta al minimo, garantendo una buona qualità della superficie.
4. Elevata resistenza alla fatica: la trasformazione della fase martensitica nello strato superficiale genera stress di compressione, che aumenta la resistenza alla fatica del pezzo.
5. Elevata efficienza produttiva: l'indurimento superficiale a induzione è adatto alla produzione di massa, offrendo un'elevata efficienza operativa.
C.Classificazione dei trattamenti termici chimici
Carburazione,Carburazione,Carburazione,Cromatura,Siliconizzazione,Siliconizzazione,Siliconizzazione,Carbonitrurazione,Borocarburazione
D.Carburazione a gas
La cementazione a gas è un processo in cui un pezzo viene posto in un forno di cementazione a gas sigillato e riscaldato a una temperatura che trasforma l'acciaio in austenite. Quindi, un agente cementante viene gocciolato nel forno oppure viene introdotta direttamente un'atmosfera cementante, consentendo agli atomi di carbonio di diffondersi nello strato superficiale del pezzo. Questo processo aumenta il contenuto di carbonio (wc%) sulla superficie del pezzo.
√Agenti cementanti:
•Gas ricchi di carbonio: come gas di carbone, gas di petrolio liquefatto (GPL), ecc.
•Liquidi organici: come cherosene, metanolo, benzene, ecc.
√Parametri del processo di cementazione:
•Temperatura di cementazione: 920~950°C.
•Tempo di cementazione: dipende dalla profondità desiderata dello strato cementato e dalla temperatura di cementazione.
E.Trattamento termico dopo la carburazione
L'acciaio deve essere sottoposto a trattamento termico dopo la cementazione.
Processo di trattamento termico dopo la carburazione:
√ Tempra + Rinvenimento a bassa temperatura
1. Tempra diretta dopo il preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: il pezzo viene preraffreddato dalla temperatura di cementazione fino a poco al di sopra della temperatura Ar₁ del nucleo e quindi immediatamente temprato, seguito da rinvenimento a bassa temperatura a 160~180°C.
2. Tempra singola dopo preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: dopo la cementazione, il pezzo viene raffreddato lentamente a temperatura ambiente, quindi riscaldato nuovamente per tempra e rinvenimento a bassa temperatura.
3.Doppia tempra dopo il preraffreddamento + rinvenimento a bassa temperatura: dopo la cementazione e il raffreddamento lento, il pezzo viene sottoposto a due fasi di riscaldamento e tempra, seguite da rinvenimento a bassa temperatura.
Ⅴ.Trattamento termico chimico degli acciai
1.Definizione di Trattamento Termico Chimico
Il trattamento termico chimico è un processo di trattamento termico in cui un pezzo in acciaio viene posto in uno specifico mezzo attivo, riscaldato e mantenuto a temperatura, consentendo agli atomi attivi nel mezzo di diffondersi nella superficie del pezzo. Ciò modifica la composizione chimica e la microstruttura della superficie del pezzo, alterandone così le proprietà.
2.Processo di base del trattamento termico chimico
Decomposizione: durante il riscaldamento, il mezzo attivo si decompone, rilasciando atomi attivi.
Assorbimento: gli atomi attivi vengono adsorbiti dalla superficie dell'acciaio e si dissolvono nella soluzione solida dell'acciaio.
Diffusione: gli atomi attivi assorbiti e disciolti sulla superficie dell'acciaio migrano verso l'interno.
Tipi di indurimento superficiale ad induzione
a.Riscaldamento a induzione ad alta frequenza
Frequenza corrente: 250~300 kHz.
Profondità dello strato indurito: 0,5~2,0 mm.
Applicazioni: ingranaggi a modulo medio e piccolo e alberi di piccole e medie dimensioni.
b.Riscaldamento a induzione a media frequenza
Frequenza corrente: 2500~8000 kHz.
Profondità dello strato indurito: 2~10 mm.
Applicazioni: alberi più grandi e ingranaggi a modulo medio-grande.
c.Riscaldamento a induzione a frequenza industriale
Frequenza corrente: 50 Hz.
Profondità dello strato indurito: 10~15 mm.
Applicazioni: Pezzi che richiedono uno strato indurito molto profondo.
3. Indurimento superficiale ad induzione
Principio base dell'indurimento superficiale per induzione
Effetto sulla pelle:
Quando la corrente alternata nella bobina di induzione induce una corrente sulla superficie del pezzo, la maggior parte della corrente indotta è concentrata vicino alla superficie, mentre quasi nessuna corrente passa attraverso l'interno del pezzo. Questo fenomeno è noto come effetto pelle.
Principio dell'indurimento superficiale ad induzione:
In base all'effetto pelle, la superficie del pezzo viene rapidamente riscaldata alla temperatura di austenitizzazione (che sale a 800~1000°C in pochi secondi), mentre l'interno del pezzo rimane quasi non riscaldato. Il pezzo viene quindi raffreddato mediante spruzzatura d'acqua, ottenendo un indurimento superficiale.
4. Fragilità del carattere
Rinvenimento della fragilità nell'acciaio temprato
La fragilità del rinvenimento si riferisce al fenomeno in cui la tenacità dell'acciaio bonificato diminuisce significativamente quando temperato a determinate temperature.
Primo tipo di fragilità da rinvenimento
Intervallo di temperatura: da 250°C a 350°C.
Caratteristiche: se l'acciaio bonificato viene rinvenuto entro questo intervallo di temperature, è molto probabile che sviluppi questo tipo di fragilità da rinvenimento, che non può essere eliminata.
Soluzione: evitare di rinvenire l'acciaio bonificato entro questo intervallo di temperature.
Il primo tipo di fragilità da rinvenimento è anche nota come fragilità da rinvenimento a bassa temperatura o fragilità da rinvenimento irreversibile.
Ⅵ.Tempra
1.Il rinvenimento è un processo di trattamento termico finale che segue la tempra.
Perché gli acciai bonificati necessitano di rinvenimento?
Microstruttura dopo la tempra: dopo la tempra, la microstruttura dell'acciaio è tipicamente costituita da martensite e austenite residua. Entrambe sono fasi metastabili e si trasformeranno in determinate condizioni.
Proprietà della martensite:La martensite è caratterizzata da elevata durezza ma anche elevata fragilità (specialmente nella martensite aghiforme ad alto contenuto di carbonio), che non soddisfa i requisiti prestazionali per molte applicazioni.
Caratteristiche della trasformazione martensitica: La trasformazione in martensite avviene molto rapidamente. Dopo la tempra, il pezzo presenta tensioni interne residue che possono portare a deformazioni o fessurazioni.
Conclusione: il pezzo non può essere utilizzato direttamente dopo la tempra! Il rinvenimento è necessario per ridurre le tensioni interne e migliorare la tenacità del pezzo, rendendolo idoneo all'utilizzo.
2.Differenza tra temprabilità e capacità di indurimento:
Temprabilità:
La temprabilità si riferisce alla capacità dell'acciaio di raggiungere una certa profondità di indurimento (la profondità dello strato indurito) dopo la tempra. Dipende dalla composizione e dalla struttura dell'acciaio, in particolare dai suoi elementi di lega e dal tipo di acciaio. La temprabilità è una misura della capacità dell'acciaio di indurire in tutto il suo spessore durante il processo di tempra.
Durezza (capacità di indurimento):
La durezza, o capacità di indurimento, si riferisce alla durezza massima che può essere raggiunta nell'acciaio dopo la tempra. È in gran parte influenzato dal contenuto di carbonio dell'acciaio. Un contenuto di carbonio più elevato porta generalmente a una durezza potenziale più elevata, ma questa può essere limitata dagli elementi di lega dell'acciaio e dall'efficacia del processo di tempra.
3.Temprabilità dell'acciaio
√Concetto di Temprabilità
La temprabilità si riferisce alla capacità dell'acciaio di raggiungere una certa profondità di indurimento martensitico dopo lo spegnimento dalla temperatura di austenitizzazione. In termini più semplici, è la capacità dell’acciaio di formare martensite durante la tempra.
Misura della temprabilità
L'entità della temprabilità è indicata dalla profondità dello strato indurito ottenuto in condizioni specificate dopo la tempra.
Profondità dello strato indurito: questa è la profondità dalla superficie del pezzo alla regione in cui la struttura è per metà martensite.
Mezzi di spegnimento comuni:
•Acqua
Caratteristiche: economico con forte capacità di raffreddamento, ma ha un'elevata velocità di raffreddamento vicino al punto di ebollizione, che può portare a un raffreddamento eccessivo.
Applicazione: Tipicamente utilizzato per acciai al carbonio.
Acqua salata: una soluzione di sale o alcali in acqua, che ha una maggiore capacità di raffreddamento alle alte temperature rispetto all'acqua, rendendola adatta per gli acciai al carbonio.
•Olio
Caratteristiche: Fornisce una velocità di raffreddamento più lenta alle basse temperature (vicino al punto di ebollizione), che riduce efficacemente la tendenza alla deformazione e alla fessurazione, ma ha una capacità di raffreddamento inferiore alle alte temperature.
Applicazione: Adatto per acciai legati.
Tipi: include olio per tempra, olio per macchine e carburante diesel.
Tempo di riscaldamento
Il tempo di riscaldamento è costituito sia dalla velocità di riscaldamento (tempo impiegato per raggiungere la temperatura desiderata) che dal tempo di mantenimento (tempo mantenuto alla temperatura target).
Principi per determinare il tempo di riscaldamento:Garantire una distribuzione uniforme della temperatura su tutto il pezzo, sia all'interno che all'esterno.
Assicurarsi che l'austenitizzazione sia completa e che l'austenite formata sia uniforme e fine.
Base per determinare il tempo di riscaldamento: solitamente stimato utilizzando formule empiriche o determinato tramite sperimentazione.
Media di tempra
Due aspetti chiave:
a.Velocità di raffreddamento: una velocità di raffreddamento più elevata favorisce la formazione di martensite.
b.Sollecitazione residua: una velocità di raffreddamento più elevata aumenta la sollecitazione residua, che può portare a una maggiore tendenza alla deformazione e alla rottura del pezzo.
Ⅶ.Normalizzazione
1. Definizione di normalizzazione
La normalizzazione è un processo di trattamento termico in cui l'acciaio viene riscaldato a una temperatura compresa tra 30°C e 50°C superiore alla temperatura Ac3, mantenuto a quella temperatura, e quindi raffreddato ad aria per ottenere una microstruttura vicina allo stato di equilibrio. Rispetto alla ricottura, la normalizzazione ha una velocità di raffreddamento più rapida, che si traduce in una struttura della perlite (P) più fine e maggiore resistenza e durezza.
2. Scopo della normalizzazione
Lo scopo della normalizzazione è simile a quello della ricottura.
3. Applicazioni della normalizzazione
•Eliminare la cementite secondaria reticolata.
•Serve come trattamento termico finale per le parti con requisiti inferiori.
•Fungere come trattamento termico preparatorio per l'acciaio strutturale a basso e medio tenore di carbonio per migliorarne la lavorabilità.
4.Tipi di ricottura
Primo tipo di ricottura:
Scopo e funzione: L'obiettivo non è indurre la trasformazione di fase ma far passare l'acciaio da uno stato sbilanciato a uno stato equilibrato.
Tipi:
•Ricottura per diffusione: mira a omogeneizzare la composizione eliminando la segregazione.
•Ricottura di ricristallizzazione: ripristina la duttilità eliminando gli effetti dell'incrudimento.
•Ricottura antistress: riduce le tensioni interne senza alterare la microstruttura.
Secondo tipo di ricottura:
Scopo e funzione: mira a modificare la microstruttura e le proprietà, ottenendo una microstruttura dominata dalla perlite. Questo tipo garantisce inoltre che la distribuzione e la morfologia di perlite, ferrite e carburi soddisfino requisiti specifici.
Tipi:
•Ricottura completa: riscalda l'acciaio al di sopra della temperatura Ac3 e poi lo raffredda lentamente per produrre una struttura di perlite uniforme.
•Ricottura incompleta: riscalda l'acciaio tra le temperature Ac1 e Ac3 per trasformare parzialmente la struttura.
•Ricottura isotermica: riscalda l'acciaio al di sopra di Ac3, seguito da un rapido raffreddamento a una temperatura isotermica e mantenimento per ottenere la struttura desiderata.
•Ricottura sferoidizzante: produce una struttura di carburo sferoidale, migliorando la lavorabilità e la tenacità.
Ⅷ.1.Definizione di trattamento termico
Il trattamento termico si riferisce a un processo in cui il metallo viene riscaldato, mantenuto a una temperatura specifica e quindi raffreddato mentre si trova allo stato solido per alterarne la struttura interna e la microstruttura, ottenendo così le proprietà desiderate.
2.Caratteristiche del trattamento termico
Il trattamento termico non modifica la forma del pezzo; altera invece la struttura interna e la microstruttura dell'acciaio, che a sua volta modifica le proprietà dell'acciaio.
3. Scopo del trattamento termico
Lo scopo del trattamento termico è migliorare le proprietà meccaniche o di lavorazione dell'acciaio (o dei pezzi), sfruttare appieno il potenziale dell'acciaio, migliorare la qualità del pezzo e prolungarne la durata.
4.Conclusione chiave
La possibilità di migliorare le proprietà di un materiale attraverso il trattamento termico dipende in modo critico dalla presenza o meno di cambiamenti nella sua microstruttura e struttura durante il processo di riscaldamento e raffreddamento.
Orario di pubblicazione: 19 agosto 2024