Processo di tempra dell'acciaio e applicazioni di classificazione

La tempra è un processo di trattamento termico in cui il pezzo viene riscaldato a una determinata temperatura critica, quindi raffreddato selettivamente per ottenere martensite ad alta-durezza o bainite inferiore tenace, seguito da rinvenimento.

La tempra migliora la resistenza all'usura e la robustezza delle parti, nonché la loro durata a fatica.

 

 

Principi di tempra e flusso del processo di base

 

L'acciaio e altri materiali subiscono trasformazioni di fase quando riscaldati e la trasformazione della fase di austenitizzazione è il prerequisito per la tempra.

Generalmente, l'acciaio ipoeutettoidico viene raffreddato a una temperatura compresa tra 20 e 30 gradi sopra Ac3, mentre l'acciaio ipereutettoidico viene raffreddato a una temperatura compresa tra 20 e 30 gradi sopra Ac1.

Durante la tempra è fondamentale evitare un riscaldamento eccessivo. Il tempo di mantenimento deve essere determinato in base alle dimensioni del pezzo e al modello del forno per garantire una trasformazione microstrutturale uniforme.

Il processo chiave nella tempra è il raffreddamento. La curva di raffreddamento ideale evita la regione del naso della perlite, principalmente per prevenire la formazione di strutture non-martensitiche. Anche la velocità di raffreddamento deve essere controllata per ridurre lo stress interno e la deformazione della parte.

Nota: Ac1 e Ac3 rappresentano rispettivamente la temperatura alla quale inizia a formarsi l'austenite e la temperatura alla quale l'acciaio ipoeutettoidico austenitizza completamente quando riscaldato. Questi sono punti di riferimento critici per determinare il processo di ricottura.

 

Principali metodi del processo di tempra e principali linee guida operative

 

1. Tempra liquida-singola

L'estinzione a liquido-singolo è il metodo di spegnimento più basilare e più semplice. Viene utilizzato principalmente per parti con forme semplici e simmetriche e variazioni minime della sezione trasversale-, come alberi e perni.

Per la tempra a liquido singolo-, è necessario selezionare il refrigerante appropriato in base al materiale e allo spessore del pezzo. Gli acciai a basso-carbonio e basso{3}legati vengono generalmente raffreddati con acqua o salamoia, mentre gli acciai alto-legati e le parti piccole e di forma complessa- possono essere raffreddati con olio o una soluzione polimerica.

Durante la tempra, assicurarsi che il pezzo sia immerso uniformemente nel mezzo e che il mezzo sia adeguatamente agitato per evitare che una pellicola di vapore ostacoli il raffreddamento.

La tempra a liquido-singolo offre stabilità di alta-qualità ed è adatta per la produzione su larga-scala, ma si consiglia cautela riguardo al rischio di deformazione e fessurazioni causate da un raffreddamento eccessivamente rapido.

 

2. Due-tempra liquida

La tempra a due-liquidi combina i vantaggi del raffreddamento rapido e lento. Innanzitutto, un primo mezzo, come acqua o acqua salata, viene fatto passare rapidamente attraverso la regione dell'austenite più instabile del materiale. Una volta che la temperatura del materiale si avvicina alla temperatura di trasformazione della martensite, il materiale viene rapidamente trasferito in un secondo mezzo, come l'olio, per completare la trasformazione della martensite.

La tempra a due-liquidi è particolarmente comune per pezzi da medie-a-grandi realizzati in acciaio ad alto-carbonio e acciai da medio-a-altolegati, come stampi e pezzi grezzi per ingranaggi.

La chiave di questa operazione è il controllo preciso del tempo di permanenza del pezzo nel primo mezzo. In genere, viene utilizzato un tempo di raffreddamento di 1 secondo per 3-5 mm di spessore effettivo del pezzo, sebbene ciò possa essere determinato anche osservando la scomparsa delle bolle sulla superficie del pezzo.

Il trasferimento dal primo mezzo al secondo mezzo deve essere rapido e continuo per evitare un aumento di temperatura che potrebbe causare la decomposizione della struttura del materiale.

La tempra a due-liquidi riduce significativamente le sollecitazioni termiche e strutturali, rendendolo un metodo efficace per controllare la deformazione e prevenire le fessurazioni.

 

3. Fase di spegnimento

La tempra a fasi richiede il riscaldamento del pezzo fino all'austenitizzazione, quindi la tempra in un bagno caldo leggermente al di sopra del punto Ms, come un bagno di nitrato o un bagno alcalino, per il mantenimento. Una volta che la temperatura è uniforme lungo la sezione trasversale del pezzo-, il pezzo viene rimosso e raffreddato ad aria-.

La tempra a gradini viene spesso utilizzata su utensili e parti con forme complesse e requisiti di alta precisione, come maschiatori, piccoli ingranaggi e alberi di precisione.

Durante il funzionamento, le fluttuazioni della temperatura del bagno devono essere rigorosamente controllate, generalmente entro un intervallo di più o meno dieci gradi Celsius. Il tempo di tenuta viene calcolato in base alla sezione trasversale-più grande, generalmente stimata in cinque millimetri al minuto.

Lo step quenching riduce efficacemente gli stress termici, consentendo alla trasformazione martensitica di procedere gradualmente durante il raffreddamento ad aria. Ciò si traduce in un basso stress sulla microstruttura e una deformazione minima. Tuttavia, a causa della limitata capacità di raffreddamento dei sali fusi, è adatto solo per pezzi con uno spessore effettivo non superiore a 20 mm.

 

4. Tempra isotermica

La tempra isotermica prevede la completa tempra di un pezzo riscaldato alla temperatura di austenitizzazione in un bagno caldo nella zona di trasformazione della bainite. Un periodo di permanenza prolungato consente all'austenite di trasformarsi completamente in bainite inferiore, seguito da un raffreddamento ad aria. L'austempering viene utilizzato principalmente per parti che richiedono elevata resistenza, tenacità e stabilità dimensionale, come cuscinetti e stampi di precisione. La temperatura e la durata isotermica sono determinate in base alla curva TTT dell'acciaio, con temperature tipicamente comprese tra 250 e 400 gradi.

Dopo l'austempering, il materiale diventa bainite, mostrando ottima resistenza e tenacità, con scarsa tendenza alla deformazione o alla fessurazione. Tuttavia, l'austempering ha un ciclo di produzione lungo, costi elevati ed è limitato a pezzi con sezioni trasversali-più piccole.

 

Problemi comuni e controllo di qualità

 

La tempra spesso provoca difetti quali durezza insufficiente, punti deboli, deformazione, fessurazioni, ossidazione e decarburazione.

Una durezza insufficiente è generalmente causata dal riscaldamento a una temperatura troppo bassa o da un raffreddamento insufficiente. Un'altra causa è la decarburazione superficiale del pezzo.

I punti deboli sono generalmente causati da mezzi di tempra contaminati o dalla presenza di scaglie di ossido sulla superficie del pezzo. Deformazioni e fessurazioni possono essere causate da eccessivi stress termici o strutturali.

Pertanto, il controllo della qualità durante la tempra richiede un monitoraggio completo del processo, in particolare un controllo preciso della temperatura durante la fase di riscaldamento. Durante la fase di raffreddamento, la temperatura, la concentrazione e la velocità di circolazione del mezzo devono essere mantenute stabili. Il rinvenimento è necessario immediatamente dopo la tempra per eliminare le tensioni residue nelle parti.

Durante la produzione di massa, dovrebbero essere eseguiti controlli periodici a campione della struttura metallografica e del gradiente di durezza. I test non distruttivi possono essere utilizzati su parti critiche per rilevare crepe.

 

Compatibilità dei materiali e selezione del processo

 

Le differenze nella composizione tra i materiali determinano una diversa temprabilità, temperature di inizio trasformazione martensitica e velocità di raffreddamento critiche. Pertanto è necessario scegliere un processo di tempra specifico in base alle caratteristiche del materiale.

L'acciaio a basso-carbonio e l'acciaio strutturale a basso-legato hanno una temprabilità relativamente bassa e vengono generalmente temprati con acqua o con due-liquidi per migliorare la durezza superficiale e la resistenza all'usura delle parti.

L'acciaio bonificato a medio-carbonio richiede la garanzia di un completo indurimento del nucleo, pertanto viene generalmente utilizzata la tempra in olio o la tempra rapida in olio per evitare deformazioni e fessurazioni.

L'acciaio per utensili-ad alto contenuto di carbonio è soggetto a surriscaldamento, il che aumenta la probabilità di deformazione. Pertanto, è possibile utilizzare la tempra a fasi o la tempra in bagno alcalino a bassa-temperatura.

Gli acciai per stampi alto-legati come H13 hanno un'eccellente temprabilità, quindi possono essere temprati con gas o induriti in un bagno di sale ad alta-temperatura per ridurre al minimo la distorsione.

I pezzi cementati richiedono una tenacità del nucleo particolarmente elevata, quindi richiedono temperature relativamente basse, sia di tempra diretta che di indurimento in un bagno di sale.

L'acciaio inossidabile e l'acciaio ad alta-rapidità richiedono preriscaldamento e tempra in bagno di sale per evitare fessurazioni e precipitazione di carburo.

La tempra è un processo complesso e critico, pertanto è necessario selezionare il metodo di tempra appropriato in base alle proprietà del materiale, alla forma della parte e alle condizioni operative.

La tempra richiede un controllo rigoroso dei processi di riscaldamento e raffreddamento per ottenere la microstruttura e le proprietà desiderate, garantendo al tempo stesso una qualità del prodotto costante e affidabile.