La tempra dell’acciaio
La tempra dell’acciaio è un trattamento termico a caldo che permette di migliorare le proprietà meccaniche dell’acciaio, conferendogli maggiore durezza e resistenza.
Si tratta di un processo particolarmente comune per gli acciai ma che può essere applicato anche ad altri metalli ferrosi e al vetro.
Questo processo è essenziale per una vasta gamma di applicazioni industriali, dalla produzione di utensili alla fabbricazione di parti meccaniche.
Tempra acciaio: cos’è
Il processo termico di tempra, o tempera, consiste nel rapido raffreddamento di un materiale dopo averlo portato ad una temperatura sopra il punto critico che induce un cambio di fase.
La tempra dell’acciaio prevede dunque il riscaldamento del metallo a temperature elevate, a cui segue un brusco raffreddamento.
Per i metalli, il processo di tempra comporta il riscaldamento del materiale a una temperatura specifica, che varia in base al tipo di metallo e alle proprietà desiderate.
Una volta raggiunta questa temperatura critica, il metallo viene rapidamente raffreddato, spesso immerso in un liquido di raffreddamento come acqua o olio. Questo rapido raffreddamento è essenziale per bloccare la trasformazione della struttura cristallina del metallo, producendo una struttura più dura e resistente.
L’acciaio temprato è particolarmente resistente agli urti, alle torsioni e alle trazioni: questo lo rende il materiale ideale per la produzione di particolari componenti che devono sopportare sollecitazioni elevate come viti, grani, spine e bulloni.
Per il vetro, il processo di tempra è leggermente diverso ma il concetto di base è simile. Il vetro temperato viene riscaldato a temperature elevate e successivamente raffreddato rapidamente tramite un processo di raffreddamento controllato. Questo rapido raffreddamento crea tensioni di compressione sulla superficie del vetro mentre il nucleo rimane in tensione. Questa differenza di tensione conferisce al vetro temperato una maggiore resistenza agli urti e alla flessione rispetto al vetro non temperato.
In entrambi i casi, il processo di tempra è fondamentale per migliorare le proprietà del materiale, rendendolo più adatto per un’ampia gamma di applicazioni. La capacità di manipolare le proprietà dei materiali attraverso la tempra è un’abilità preziosa nell’industria moderna, consentendo la produzione di prodotti più sicuri, durevoli ed efficienti.
Tempra Acciaio: i trattamenti più comuni
Esistono diversi trattamenti di tempra dell’acciaio, ognuno progettato per ottenere risultati specifici in base alle esigenze dell’applicazione.
I processi di tempra più comuni sono:
Tempra Ordinaria: Consiste nel riscaldare l’acciaio ad alte temperature e raffreddarlo rapidamente per formare la struttura martensitica.
Tempra a Induzione: Utilizza campi magnetici alternati per riscaldare l’acciaio, seguiti da un rapido raffreddamento per ottenere la martensite.
Tempra Bainitica (austempering): Coinvolge un raffreddamento isotermico a temperature appena superiori al punto di inizio della trasformazione della martensite, producendo una struttura bainitica più tenace.
Tempra Scalare (Martempering): Prevede una pausa isoterma a una temperatura leggermente superiore al punto di inizio della trasformazione della martensite, seguita da un raffreddamento controllato.
Caratteristiche dell’acciaio temprato
La tempra dell’acciaio offre una serie di vantaggi significativi, tra cui:
- Aumento della durezza: La tempra rende l’acciaio più duro, migliorando la sua capacità di resistere all’usura e all’abrasione.
- Incremento della resistenza meccanica: La tempra aumenta la resistenza a trazione e il limite elastico dell’acciaio, rendendolo più adatto a carichi pesanti e sollecitazioni meccaniche intense.
- Miglioramento della resilienza: Anche se la tempra può rendere l’acciaio più fragile, il successivo rinvenimento può migliorarne la resilienza, rendendolo più resistente agli urti e alle rotture.
Acciaio temprabile
L’acciaio al carbonio, un acciaio contenente principalmente ferro e carbonio, è tra i materiali più comuni sottoposti a tempra.
Non tutte le tipologie di acciaio al carbonio, però, possono andare incontro al trattamento di tempera.
Acciaio ad alto contenuto di carbonio
Possono ottenere una maggiore durezza e resistenza dopo la tempra, ma possono diventare più fragili se temprati eccessivamente. Un controllo accurato del processo è essenziale per evitare la formazione di eccessive tensioni interne che potrebbero portare alla rottura dell’acciaio.
Acciaio a basso contenuto di carbonio
Possono migliorare la propria durezza grazie ad alcuni trattamenti superficiali, ma non vi è la stessa garanzia di risultato dopo tempera come per gli acciai ad alto tenore di carbonio.
Con più precisione, la percentuale di carbonio può variare da meno dell’1% fino a circa il 2%.
Si è soliti considerare una soglia limite minima di 0,4% per indicare l’acciaio al carbonio che può subire il trattamento di tempra. Al di sotto di questa soglia, la tempera non può essere applicata.
Acciaio al carbonio a basso tenore di carbonio (0,05% – 0,4%)
Questo tipo di acciaio è comunemente utilizzato in applicazioni dove la duttilità e la lavorabilità sono importanti. È meno suscettibile alla tempra rispetto ad acciai con una percentuale di carbonio più alta.
Acciaio al carbonio medio (0,4% – 0,60%)
Questo tipo di acciaio offre un equilibrio tra durezza e duttilità. È adatto per una vasta gamma di applicazioni e può essere temprato per migliorare ulteriormente la sua durezza.
Acciaio al carbonio ad alto tenore di carbonio (0,60% – 2,0%)
Questo tipo di acciaio è caratterizzato da una maggiore durezza e resistenza, ma è anche più suscettibile alla fragilità. Può essere temprato per ottenere elevate proprietà di durezza e resistenza.
Acciaio legato
Questo tipo di acciaio contiene oltre al carbonio anche altri elementi di lega come il manganese, il cromo, il nichel, il molibdeno, tra gli altri.
Questi elementi di lega possono influenzare significativamente le proprietà dell’acciaio, incluso il suo comportamento durante il processo di tempra.
Gli acciai legati sono spesso utilizzati in applicazioni dove sono richieste proprietà specifiche come alta resistenza, resistenza alla corrosione o resistenza all’usura.
Il processo di tempra dell’acciaio
Il trattamento di tempra dell’acciaio si compone delle seguenti fasi:
1. Riscaldamento
Il riscaldamento rappresenta la prima fase critica nel trattamento di tempra dell’acciaio. Durante questa fase, l’acciaio viene portato ad alte temperature per permettere la trasformazione della sua struttura interna.
La velocità di riscaldamento è un elemento cruciale in questa fase, in quanto influisce direttamente sulla microstruttura finale dell’acciaio.
Velocità di Riscaldamento
La velocità con cui l’acciaio viene riscaldato dipende dalla dimensione e dalla composizione del pezzo. È importante garantire un riscaldamento uniforme per evitare gradienti di temperatura significativi all’interno del materiale.
Temperatura di Riscaldamento
La temperatura a cui viene portato l’acciaio varia in base al tipo di acciaio e al risultato desiderato. È essenziale raggiungere una temperatura che consenta la trasformazione della struttura cristallina dell’acciaio.
2. Mantenimento della Temperatura
Dopo il raggiungimento della temperatura di austenizzazione, l’acciaio viene mantenuto a questa temperatura per un determinato periodo. Questa fase è cruciale per consentire alla struttura cristallina dell’acciaio di equilibrarsi e prepararsi per il successivo raffreddamento rapido.
Durata del Mantenimento
Il tempo di mantenimento dipende dalla dimensione e dalla composizione dell’acciaio. È importante garantire un adeguato periodo di permanenza alla temperatura di austenizzazione per consentire una trasformazione completa della struttura interna dell’acciaio.
Austenite
Durante il mantenimento, l’acciaio acquisisce la struttura cristallina della fase austenitica. Questa fase è caratterizzata da una maggiore duttilità e facilità di trasformazione della struttura cristallina.
3. Raffreddamento Rapido
La fase finale del trattamento di tempra è il raffreddamento rapido dell’acciaio. Questo passaggio è essenziale per ottenere la formazione della martensite, una fase cristallina caratterizzata da elevata durezza e resistenza.
Velocità di Raffreddamento
Il raffreddamento deve avvenire il più rapidamente possibile per consentire la formazione della martensite. La velocità di raffreddamento dipende dal tipo di acciaio e dal mezzo di raffreddamento utilizzato.
Mezzi di Raffreddamento
Il processo di raffreddamento durante la tempra dell’acciaio avviene mediante l’immersione del materiale in un liquido o un gas noto come “mezzo temprante“. Questo mezzo deve essere in grado di raffreddare l’acciaio rapidamente senza generare vapore, poiché ciò potrebbe compromettere la formazione della martensite, influenzando così la durezza del materiale.
I mezzi tempranti più comuni includono:
Acqua pura: Mezzo temprante che si tende ad evitare poiché, a contatto con l’acciaio caldo, produce una quantità significativa di vapore. Le bolle generate potrebbero danneggiare la struttura dell’acciaio e comprometterne la durezza.
Salamoia (acqua con sale disciolto): Questo costituisce un miglioramento rispetto all’acqua pura poiché crea un ambiente più favorevole alla formazione della martensite. Tuttavia, è importante risciacquare l’acciaio dopo la tempra per prevenire la corrosione causata dal sale.
Oli minerali: Offrono un raffreddamento più lento rispetto all’acqua, il che può essere vantaggioso in determinate situazioni. Anche se l’indurimento risultante è inferiore, l’acciaio temprato con oli minerali è generalmente meno fragile grazie alla lentezza del processo di raffreddamento.
Si distinguono 3 stadi di raffreddamento per liquidi soggetti a ebollizione:
al primo contatto del mezzo col pezzo si forma una pellicola di vapore (calefazione), con raffreddamento relativamente lento;
nel momento in cui essa si rompe, nuovo liquido tocca il pezzo, assorbe il calore latente di evaporazione e si raggiunge così la massima asportazione di energia;
con il passaggio sotto alla temperatura di ebollizione, si ha un calo nell’asportazione di calore.
La Martensite
La martensite è la struttura cristallina risultante dalla tempra dell’acciaio che si forma quando l’acciaio viene raffreddato rapidamente dalla temperatura di austenizzazione (la temperatura a cui l’acciaio diventa completamente austenitico).
La martensite è caratterizzata da una maggiore durezza e resistenza, rendendo l’acciaio adatto a una vasta gamma di applicazioni.
Spesso, l’acciaio temprato è sottoposto successivamente ad un processo di rinvenimento, ideale per ridurre gli effetti negativi della formazione di martensite.
Leggi anche: Il rinvenimento dell’acciaio
In sintesi, la tempra dell’acciaio conferisce al materiale una serie di vantaggi che lo rendono indispensabile in molteplici settori industriali, contribuendo alla realizzazione di prodotti più sicuri, efficienti e durevoli.
L’acciaio ora temprato trova impiego in numerosi settori industriali, come l’automotive, l’aerospaziale, la produzione di utensili, la costruzione di macchinari e attrezzature pesanti, solo per citarne alcuni.
Ampiamente impiegato anche nella produzione di utensili industriali, come punte da trapano, frese e stampi, grazie alla sua capacità di mantenere un’ottima affilatura e resistere alle sollecitazioni meccaniche durante l’uso.
