Molti componenti si guastano precocemente o si usurano perché l'acciaio è troppo morbido o fragile. Questo può causare guasti, problemi di sicurezza o perdite di denaro. Il trattamento termico modifica il comportamento dell'acciaio regolandone la struttura interna. Può rendere l'acciaio più duro, più rigido o più flessibile, a seconda delle esigenze. Ma alcuni non sanno che cos'è veramente l'acciaio trattato termicamente, come si produce e perché molti settori lo utilizzano.
Se lavorate con il metallo o acquistate componenti in acciaio, dovete sapere perché l'acciaio trattato termicamente fa la differenza. Vediamo cosa fa il trattamento termico e dove è importante.
Che cos'è l'acciaio trattato termicamente?
L'acciaio trattato termicamente è un acciaio che è stato riscaldato e raffreddato in modo specifico per modificarne la struttura interna. Il trattamento termico agisce modificando la microstruttura dell'acciaio, costituita da grani che si formano durante la solidificazione e il raffreddamento. L'obiettivo è controllare il modo in cui questi grani si formano e cambiano.
Il processo non aggiunge nulla all'acciaio. Al contrario, riorganizza gli atomi all'interno del metallo, facendolo agire in modo diverso sotto stress o calore. Può anche migliorare il modo in cui l'acciaio si usura o resiste agli urti.
Esistono molti tipi di trattamento termico, ognuno dei quali agisce in modo diverso sull'acciaio. Alcuni lo rendono molto duro, mentre altri lo rendono più flessibile o più facile da tagliare.
Come funziona il trattamento termico?
Il trattamento termico modifica il comportamento dell'acciaio controllando il riscaldamento e il raffreddamento. Di seguito sono riportate le fasi e i metodi principali per il trattamento termico dell'acciaio:
Riscaldamento del metallo
L'acciaio viene prima riscaldato a una temperatura specifica, solitamente compresa tra 750°C e 950°C (circa 1380°F - 1740°F), a seconda del tipo di acciaio e dell'obiettivo del trattamento.
A queste temperature, la struttura interna dell'acciaio si trasforma. Gli atomi vibrano di più e si muovono liberamente, e l'acciaio entra in una fase chiamata austenite, morbido e amagnetico.
Ammollo (mantenimento della temperatura)
Una volta raggiunta la temperatura target, l'acciaio viene tenuto in ammollo per un periodo di tempo specifico, per consentire alla struttura di modificarsi completamente. Questo tempo di immersione dipende dalle dimensioni e dallo spessore del pezzo.
- Una regola comune è di 1 ora per 25 mm (1 pollice) di spessore.
- Per una lastra d'acciaio di 12 mm di spessore, di solito è sufficiente un tempo di immersione di circa 30 minuti.
Se il tempo di ammollo è troppo breve, la trasformazione è incompleta e porta a nuclei morbidi o a una durezza non uniforme. Se il tempo è troppo lungo, invece, si verifica una crescita dei grani, che può ridurre la tenacità e rendere l'acciaio fragile.
Raffreddamento del metallo
Il raffreddamento è la fase più critica. Controlla il modo in cui la struttura dell'acciaio si riforma, influenzando direttamente le proprietà meccaniche finali.
- La tempra (raffreddamento rapido) in acqua o in olio può raffreddare l'acciaio da 850°C a 100°C in meno di 10 secondi, creando una complessa struttura di martensite.
- La ricottura (raffreddamento lento in un forno) può durare diverse ore. Consente alla struttura di diventare perlite o ferrite, che sono più morbidi e duttili.
Acciai diversi richiedono metodi di raffreddamento diversi:
- La tempra in acqua è spesso utilizzata per gli acciai al carbonio semplici, ma può causare cricche negli acciai altamente legati.
- La tempra in olio è più lenta e migliore per acciai legati come il 4140 o il 4340.
- Il raffreddamento ad aria è utilizzato per gli acciai che induriscono ad aria, come l'acciaio per utensili A2.
Cambiamenti strutturali nell'acciaio
Il trattamento termico modifica le caratteristiche dell'acciaio microstrutturache controlla il comportamento in uso.
Ecco alcune strutture chiave:
| Struttura | Formata quando | Proprietà |
|---|---|---|
| Austenite | Riscaldato a oltre 723°C | Morbido, flessibile, amagnetico |
| Martensite | Spegnimento rapido | Molto duro, fragile, ad alta resistenza all'usura |
| Perlite | Raffreddato lentamente | Durezza media, buona tenacità |
| Bainite | Raffreddato a velocità media | Più duro della perlite, meno fragile della martensite |
Fasi successive al trattamento
Dopo il trattamento termico, l'acciaio può ancora necessitare di aggiustamenti a seconda dell'uso finale.
- Il rinvenimento viene effettuato dopo la tempra per ridurre la fragilità. Il rinvenimento a 200-600°C può ridurre leggermente la durezza e migliorare la tenacità: ad esempio, un acciaio per utensili temprato a 62 HRC può essere rinvenuto a 58 HRC, ottenendo una maggiore resistenza agli urti.
Tipi di processi di trattamento termico
Il trattamento termico modifica il comportamento dell'acciaio. Ogni metodo utilizza un metodo diverso di riscaldamento e raffreddamento per ottenere il risultato desiderato.
Ricottura
La ricottura ammorbidisce l'acciaio e lo rende più facile da lavorare. Durante questo trattamento, l'acciaio viene riscaldato lentamente fino a una temperatura tipicamente compresa tra 500°C e 700°C (o anche superiore, a seconda del materiale) e poi raffreddato molto lentamente all'interno del forno.
Il raffreddamento lento consente agli atomi all'interno dell'acciaio di spostarsi in una posizione più rilassata. Ciò riduce le tensioni interne che potrebbero essersi formate durante le fasi precedenti di taglio, piegatura o saldatura. Inoltre, favorisce la crescita di grani più grandi nella struttura dell'acciaio, rendendo il materiale meno complicato e più duttile.
Di conseguenza, l'acciaio ricotto è più facile da curva, trapano, O macchina. Tuttavia, perde un po' di forza e di resistenza all'usura. Questo metodo viene solitamente utilizzato prima di un'ulteriore sagomatura o taglio. Viene spesso applicato all'acciaio laminato a freddo, alle lamiere di acciaio inossidabile e all'acciaio utilizzato in disegno profondo o operazioni di stampaggio.
Normalizzazione
La normalizzazione è simile alla ricottura, ma con un raffreddamento più rapido. L'acciaio viene riscaldato a una temperatura più elevata, di solito tra i 750°C e i 950°C, al di sopra del punto di trasformazione in cui la struttura dei grani cambia in austenite. Viene quindi raffreddato all'aria aperta, non all'interno di un forno.
Questo raffreddamento più rapido crea grani più fini nell'acciaio. Una struttura a grana fine migliora la resistenza, la tenacità e le proprietà meccaniche uniformi. Inoltre, contribuisce a eliminare gli effetti di un riscaldamento non uniforme o di un indurimento dovuto a processi precedenti.
L'acciaio normalizzato è più resistente di quello ricotto, ma mantiene una certa flessibilità. Viene spesso utilizzato per parti sottoposte a carichi costanti o a vibrazioni, come gli alberi dei motori, le bielle o i componenti in acciaio fuso.
Indurimento
La tempra viene utilizzata quando l'acciaio deve essere estremamente duro e resistente. Questo processo prevede il riscaldamento dell'acciaio a una temperatura elevata, solitamente compresa tra 800°C e 900°C, a seconda del tipo di acciaio. L'obiettivo è trasformare la struttura interna in austenite.
Una volta riscaldato, l'acciaio viene rapidamente raffreddato, o "temprato", in acqua, olio o altro fluido di raffreddamento. Questo brusco calo di temperatura trasforma la struttura in martensite, che è molto dura e resistente. Tuttavia, la martensite è anche fragile e può rompersi in caso di impatto.
La tempra è utilizzata principalmente per utensili, coltelli, stampi, punzoni o parti che devono resistere all'usura. Ma poiché rende l'acciaio fragile, è quasi sempre seguita dal rinvenimento.
Temperamento
Il rinvenimento è una fase successiva alla tempra. Riduce la fragilità causata dalla martensite. In questo processo, l'acciaio temprato viene riscaldato a una temperatura inferiore, solitamente compresa tra 150°C e 650°C, e poi raffreddato nuovamente a una velocità controllata.
Questa fase consente di rilassare parte delle tensioni interne. Riduce leggermente la durezza, ma aumenta la capacità dell'acciaio di assorbire gli urti o di gestire forze improvvise senza rompersi. La temperatura e il tempo esatti dipendono dalla durezza o dalla tenacità necessarie.
L'acciaio temprato raggiunge un equilibrio tra durezza e tenacità. È utilizzato per molle, supporti strutturali, utensili e parti di macchine che devono resistere agli urti senza incrinarsi.
Effetti del trattamento termico sulle proprietà dell'acciaio
Il trattamento termico modifica il comportamento dell'acciaio nell'uso reale. Agisce modificando la struttura interna del metallo, che influisce sulla sua resistenza, flessibilità e durata.
Forza e durezza
Il trattamento termico può rendere l'acciaio più forte e più duro. Metodi come la tempra e il rinvenimento aumentano la capacità di gestire la pressione e di resistere all'usura.
L'acciaio più resistente mantiene meglio la sua forma durante l'uso intensivo, rendendolo utile per utensili da taglio, stampi e parti di macchine ad alto carico.
Ma se l'acciaio diventa troppo duro, può anche diventare fragile. Ecco perché la tempra è spesso seguita dal rinvenimento. Questa fase aiuta a ripristinare una certa flessibilità, pur mantenendo la resistenza.
Duttilità e tenacità
La duttilità è la capacità dell'acciaio di piegarsi o allungarsi prima di rompersi. La durezza è la capacità di sopportare colpi o forze improvvise.
Processi come la ricottura e la normalizzazione contribuiscono a migliorare entrambi. Queste fasi ammorbidiscono l'acciaio e lo rendono meno soggetto a crepe.
La robustezza è essenziale per parti come cornici, parentesio supporti. Queste parti sono spesso soggette a urti o scosse. Senza una sufficiente tenacità, l'acciaio potrebbe rompersi in seguito a sollecitazioni improvvise.
Resistenza all'usura e alla corrosione
L'acciaio più duro di solito si consuma più lentamente. Ecco perché le parti trattate termicamente, come gli utensili o gli stampi, spesso durano più a lungo di quelle non trattate.
Il trattamento termico può anche contribuire a migliorare la resistenza alla ruggine, soprattutto se abbinato ad altri rivestimenti protettivi. Non è una soluzione completa alla corrosione, ma rende l'acciaio più stabile in ambienti difficili.
Cambiamenti della microstruttura
Il cambiamento più significativo avviene all'interno dell'acciaio. Il trattamento termico modifica la struttura dei grani del metallo.
Forme diverse come martensite, perlite o bainite conferiscono all'acciaio qualità diverse. Questi cambiamenti determinano la resistenza, la flessibilità o la sfida dell'acciaio.
Applicazioni industriali dell'acciaio trattato termicamente
L'acciaio trattato termicamente è utilizzato in molti settori in cui sono importanti la forza, la durata e la resistenza all'usura. Il processo aiuta a soddisfare le esigenze di prestazione senza aggiungere peso o costi aggiuntivi.
Componenti automobilistici
Molte parti di automobili vengono sottoposte a trattamento termico per gestire le sollecitazioni, gli urti e il calore. Esempi comuni sono:
- Ingranaggi
- Assali
- Alberi a gomito
- Parti della sospensione
La tempra conferisce a questi componenti la forza necessaria per resistere all'usura, mentre il rinvenimento li aiuta ad assorbire gli urti senza incrinarsi. Il risultato è una vita più lunga e migliori prestazioni su strada.
Aerospaziale e aviazione
Le parti dell'aeronautica devono essere resistenti ma anche leggere. L'acciaio trattato termicamente viene utilizzato per:
- Carrello di atterraggio
- Parti del motore
- Elementi di fissaggio e staffe
Queste parti sono esposte a pressioni, vibrazioni e sbalzi di temperatura estremi. Il trattamento termico conferisce loro la durezza e la stabilità necessarie per garantire la sicurezza in volo.
Costruzioni e attrezzature pesanti
L'acciaio strutturale, i telai delle macchine e le parti portanti traggono vantaggio dal trattamento termico. Migliora la resistenza al carico e riduce i cedimenti:
- Gru
- Escavatori
- Supporti per l'edificio
- Strutture di saldatura
Grazie all'acciaio resistente e affidabile, queste macchine possono lavorare più a lungo e sopportare maggiori sollecitazioni senza subire danni.
Produzione di utensili e stampi
Gli utensili da taglio, le matrici e gli stampi vengono temprati per mantenere la loro forma durante l'uso ripetuto. Ne sono un esempio:
- Punte da trapano
- Punzoni
- Stampi a iniezione
- Strumenti di stampa
L'acciaio trattato termicamente mantiene i bordi affilati più a lungo e previene le rotture sotto sforzo. Questo allunga la vita degli utensili e mantiene la produzione regolare.
Confronto tra acciaio trattato termicamente e acciaio non trattato termicamente
La scelta tra acciaio trattato termicamente e acciaio non trattato termicamente dipende dall'uso previsto per il pezzo. Ciascuna opzione presenta dei compromessi in termini di resistenza, costo e durata.
Prestazioni in ambienti difficili
L'acciaio trattato termicamente si comporta meglio in condizioni difficili. È in grado di gestire:
- Carichi elevati
- Attrito
- Impatto
- Calore
L'acciaio non trattato termicamente può piegarsi, usurarsi o incrinarsi sotto sforzo. Non è l'ideale per le parti soggette a movimento costante o a temperature estreme. Il trattamento termico conferisce all'acciaio la forza e la stabilità necessarie per resistere in questi ambienti.
Costo e longevità
L'acciaio trattato termicamente costa di più all'inizio, poiché il processo aggiunge tempo, manodopera e attrezzature, ma si ripaga nel tempo.
I pezzi trattati durano più a lungo, si guastano meno e riducono la necessità di sostituzioni o riparazioni. Questo riduce i costi a lungo termine, soprattutto per le parti di macchine, veicoli o utensili.
L'acciaio non trattato termicamente può essere più economico, ma si usura più rapidamente. Il guasto di parti critiche può comportare tempi di inattività o danni.
Rapporto peso/forza
Il trattamento termico migliora la resistenza dell'acciaio senza aumentare il peso. Ciò consente agli ingegneri di utilizzare pezzi più sottili o più piccoli che soddisfano gli obiettivi di resistenza.
Questo è utile in settori come quello automobilistico o aerospaziale, dove la riduzione del peso migliora il consumo di carburante e le prestazioni.
L'acciaio non trattato termicamente ha bisogno di una maggiore quantità di materiale per raggiungere la stessa resistenza, con conseguente aumento di peso e di spazio.
Conclusione
L'acciaio trattato termicamente è più forte, più complesso e più affidabile dell'acciaio non trattato. Ha prestazioni migliori sotto sforzo, dura più a lungo e si adatta a diversi usi industriali. Dall'industria automobilistica e aerospaziale ai macchinari e agli utensili pesanti, il trattamento termico aiuta l'acciaio a soddisfare le esigenze del mondo reale.
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Ciao, sono Kevin Lee
Negli ultimi 10 anni mi sono immerso in varie forme di lavorazione della lamiera, condividendo qui le mie esperienze in diverse officine.
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Kevin Lee
Ho oltre dieci anni di esperienza professionale nella fabbricazione di lamiere, con specializzazione nel taglio laser, nella piegatura, nella saldatura e nelle tecniche di trattamento delle superfici. In qualità di direttore tecnico di Shengen, mi impegno a risolvere sfide produttive complesse e a promuovere innovazione e qualità in ogni progetto.
