Dispense 2010 Materiali Metallici

Politecnico di Torino Facolt di Ingegneria

Corso di laurea in

Ingegneria dei materiali

Materiali metallici

Appunti dalle lezioni

Prof. De Benedetti

Anno Accademico 2009/2010

METALLURGIA Prof. De Benedetti

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PRODOTTI SIDERURGICI

http://www.ing.unitn.it/~colombo/GENERALITA%27_SULLE_MACCHINE_UTENSILI_E_LAV

ORAZIONI/PARTE1.htm

http://xoomer.virgilio.it/treclassi/#metallurgia

Iniziamo lanalisi delle caratteristiche e dei processi di lavorazione delle leghe Fe-C a basso tenore di C (< 2%), dette acciai, dal momento in cui il materiale viene

spillato dal forno fusorio e destinato ai trattamenti successivi, finalizzati alla

produzione degli oggetti di interesse. Il bagno metallico viene inviato in un

contenitore, detto secchia o siviera, alla temperatura di 1650-1700 C e da l viene

avviato alla produzione dei cosiddetti intermedi siderurgici, prodotti che

vengono sottoposti a lavorazioni successive (prevalentemente di tipo meccanico)

per giungere ai pezzi finiti. La qualit di un prodotto finito, parametro strettamente

connesso alla prestazione richiesta, funzione della storia con la quale stato

elaborato il materiale e in particolare, quando si parla di prodotti siderurgici, si

intendono tutti i processi metallurgo-siderurgici che portano al prodotto finito

partendo dal minerale o dal rottame, passando per la lega metallica e i prodotti

semifiniti.

Il nostro punto di partenza il momento in cui, la lega esce dal forno e bisogna

passare ai formati commerciali. Dalla siviera lacciaio viene travasato, sempre allo stato liquido, in un sistema che ne determiner la forma commerciale. Sono possibili due strade:


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Colata in

Lingottiera

Prendiamo in esame la prima strada. La siviera presenta unapertura sul fondo per la fuoriuscita del materiale liquido detta scaricatore a cassetto. Di qui

lacciaio fuso viene colato in una lingottiera rovesciata, avente sezione trapezoidale e costituita da ghisa (per il basso costo, la bassa saldabilit e

lelevata conducibilit termica), dove solidificher nell'arco di poche ore. Prendono cos forma lingotti di peso variabile tra 1 e 10 t .

Colata in diretta in lingottiera

Il principale problema determinato da questo tipo di colata, detto colata in diretta,

costituito dal fatto che gli eventuali schizzi sulle pareti solidificano prima che

siano raggiunte dal liquido, andando a costituire delle zone ossidate inclusedal resto del lingotto (difetti superficiali chiamati gocce fredde ), con conseguente

peggioramento delle caratteristiche meccaniche del prodotto finito. Per evitare

questo problema si ricorre ad una colata in sorgente.

Colata in sorgente


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Dalla siviera lacciaio passa prima in un imbuto di colata e poi, attraverso il bastone di colata, va a riempire la lingottiera dal basso. In questo modo la risalita

dellacciaio pi regolare ed il prodotto finale di qualit migliore. Questo modo di procedere per pi costoso: sono maggiori sia la quantit di refrattari

necessaria per realizzare il sistema di alimentazione, che la perdita di materiale

negli stessi. Per rimediare a ci si preferisce di solito alimentare con un unico

bastone di colata un certo numero di lingottiere contemporaneamente (di solito

4).

Il principale problema seguente alla colata del lingotto costituito dal fenomeno

del ritiro volumetrico; chiaramente determinato dal fatto che il passaggio dalla

fase liquida alla fase solida comporta una diminuzione di volume (0,7 2% ) e a ci si aggiungono gli effetti legati al raffreddamento della massa colata. Le prime

zone a solidificare sono quelle prossime alle pareti della lingottiera e quella

superficiale (la cosiddetta pelle), mentre la zona centrale (cuore) solidifica per ultima. Quando il cuore solidifica, la parte centrale della superficie del lingotto

viene trascinata verso il basso a causa dei fenomeni di ritiro, (non le parti

terminali, vincolate dallattrito per il contatto con le pareti della lingottiera) , formando il cosiddetto cono di ritiro.

La parte di lingotto interessata dal fenomeno prende il nome di materozza. La sua

eliminazione (stripping), necessaria perch essa andrebbe a determinare difetti nel

prodotto siderurgico finale, comporta una perdita di circa il 10% del prodotto. Si

rende necessaria la riduzione della zona interessata dal cono di ritiro per altra via.


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Tutti i bagni metallici sono protetti da una scoria che esercita una duplice

funzione: dal punto di vista chimico proteggono il bagno dallossidazione, da quello fisico modificano gli scambi termici con lesterno. Perci si opera in modo da avere nella scoria (che presentando di solito una densit minore a quella

del bagno metallico, tende a galleggiare su di esso) dellalluminio in modo che, a contatto con lossigeno dellaria, avvenga la reazione

2 Al + 3/2 O2 Al2O3 + calore

la quale, per la forte esotermicit, fa s che la materozza rimanga liquida e solidifichi per ultima (materozza esotermica), evitando cos la formazione del

cono di ritiro (si osservi inoltre che si forma un ossido refrattario in grado di

rallentare gli scambi termici con lesterno). Tale metodo viene chiamato alluminotermia.

http://www.youtube.com/watch?v=IPBZ8UGPlpg

Colata continua Tecnica alternativa alla colata in lingottiera la colata continua, che nasce per

ridurre le dimensioni dellintermedio siderurgico in vista di manufatti finali lunghi e di piccole dimensioni (ad es. tondini per calcestruzzo armato). In questo caso

lacciaio viene colato dalla siviera in una lingottiera senza fondo: essa ha la forma delloggetto che deve essere prodotto, in genere una barra avente sezione quadrata di lato compreso tra 10 e 20 cm. e lunghezza di circa 1.5 m. (dopo il taglio), detto

billetta.

La lingottiera ha pareti in rame raffreddato ad acqua (Tm (Cu) 1080C) in modo

che lacciaio in uscita sia gi solidificato nello strato pi esterno. Il processo prevede l'uso di una falsa billetta trascinata verso il basso a mezzo di rulli

trascinatori, che verr in seguito rimossa come scarto. In questo modo possibile

procedere ad unalimentazione in continuo per afflusso dellacciaio nella billetta, che posso estrarre dalla macchina gi solidificata in pelle (ad una temperatura di

circa 1300C) e quindi non pi soggetta a fenomeni conseguenti al ritiro. Il tempo

necessario all'attraversamento della lingottiera circa un minuto. Non si opera su

billette di dimensioni minori perch la velocit di estrazione aumenterebbe troppo,

rischiando la frattura della pelle nella zona del gomito.

Processo di colata continua


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Per limitare lo sviluppo in altezza dellimpianto si utilizza una successione di rulli trascinatori e deformatori che fanno s che la billetta si estragga in senso

orizzontale. Il materiale, alle temperature di lavoro, risulta essere ancora

deformabile anche se la pelle, gi solidificata, pu rompersi se il cuore ancora

parzialmente liquido. Per questo motivo occorre scegliere in modo opportuno la

velocit di estrazione perch sia compatibile con il raggio di curvatura imposto

dalla macchina alla billetta.

Processo di colata continua curva

http://www.youtube.com/watch?v=d-72gc6I-_E

I difetti composizionali sono innanzitutto causati da fenomeni di segregazione. A

tutti noto che solidificando una lega metallica i primi cristalli di solido che si

separano hanno una composizione differente da quella del resto del bagno, in

particolar modo risultano pi poveri di elementi di lega (liquazione); se si

seguissero le condizioni di equilibrio, il solido cambierebbe la propria

composizione interagendo con il liquido sino a raggiungere, a solidificazione

conclusa, la sua stessa composizione. In un lingotto i fenomeni di raffreddamento

sono lenti per cui ai fenomeni di segregazione si sommano quelli di diffusione che

tendono a uniformare la composizione della lega nelle varie zone del getto.

Durante la colata continua invece la pelle si raffredda velocemente, per cui nella

zona superficiale si ha un forte depauperamento degli elementi di lega. Per questo

motivo si preferisce colare in continuo acciai a basso tenore di elementi di lega (e

quindi il prodotto finale risulta di qualit bassa); ma quando ci non possibile si opera come segue: favorendo i fenomeni di diffusione con alte temperature e

agitazione del fluido. Nelle condizioni operative sicuramente le temperature sono

alte e per avere agitazione dellacciaio liquido si utilizza nella zona prossima alluscita dalla lingottiera un induttore (conduttore percorso da corrente) affinch linduzione elettromagnetica provochi un mescolamento del bagno e metta in contatto il solido con il liquido ancora presente, pi ricco di elementi di lega,

uniformando cos la composizione.


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Stirring elettromagnetico

Altro intermedio siderurgico che pu essere realizzato attraverso la colata

continua la bramma, dalla quale si possono ottenere lamiere. Essa ha sezione

rettangolare, con spessore di circa 10 cm. e larghezza di circa 1 m., ed prodotta

esattamente come le billette (chiaramente con la lingottiera di forma opportuna).

In questa situazione la velocit di solidificazione estremamente elevata, per cui

altrettanto elevata dovr essere la velocit di estrazione della bramma dalla

lingottiera. Per motivi ovvi la macchina si estende solo in verticale ed il prodotto

tagliato alla fine del tratto verticale nei pezzi di lunghezza voluta. La colata

continua garantisce alta velocit di produzione, prodotti di piccola sezione,

assenza di scarti, scorie e materozze, al costo di alcuni svantaggi come la

disomogeneit tra cuore e pelle e l'incontrollabilit del contenuto inclusizionale,

destinando questo processo alla produzione di acciai di bassa qualit (facendo

notare che se la pelle, che dovr resistere ad attacchi chimici e meccanici, di

bassa qualit, allora l'intero prodotto finito sar scadente). Direttamente da colata

continua, oppure per fucinatura di lingotti, si possono ottenere i blumi, un altro

tipo di intermedio siderurgico. La fucinatura (o forgiatura) un procedimento di

sagomatura a caldo mediante percussione o pressatura.

Problemi di

qualit

Il problema fondamentale, connesso a tutte le tecniche di colata presentate,

costituito dal trascinamento nel bagno metallico di componenti di scoria (CaO,

SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3) che possono dare origine ad inclusioni (fase non

metallica inglobata in una matrice metallica). Esse vanno a bloccare il moto delle

dislocazioni dovute alla deformazione plastica del materiale, diminuendone la

tenacit. E' opportuno perci, ridurne la quantit nel materiale. Nei lingotti la

solidificazione estremamente lenta e la scoria (avente densit di circa 2 g/cm3)

tende per risalita a separarsi dal bagno metallico (avente densit di circa 7,8

g/cm3). Nel caso della colata continua la velocit di raffreddamento della

superficie estremamente elevata e quindi la qualit pi modesta. Per aumentare

il grado di pulizia di un lingotto si utilizza il metodo ESR (Electro Slag

Remelting) : lo si pone al di sopra di una scoria fusa, costituita prevalentemente da

fluoruri di Ba e Ca ( 4 g/cm3 ) e con un induttore posto al fondo del lingotto,

determino la fusione della zona terminale finch delle gocce di acciaio (e dello

sporco che le accompagna) tendano a passare nella scoria.

A causa delle diverse densit, lo sporco tender ad andare a galla mentre lacciaio ad andare al di sotto, costituendo un lingotto pulito. Il materiale cos ottenuto appunto detto acciaio ESR ed utilizzato nellindustria meccanica di qualit e nellindustria aerospaziale.


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Un altro difetto da eliminare quello legato alla presenza di vuoti nellintermedio, determinati o da fenomeni di ritiro o dalla presenza di gas disciolti nel bagno.

Particolarmente pericoloso lH2 che presenta una notevole solubilit nellacciaio liquido e una solubilit ridotta nellacciaio solido. Affinch il gas esca lacciaio deve essere quindi degasato allo stato liquido. A questo fine si utilizzano degli

impianti di degasaggio sotto vuoto. Queste operazioni si rendono necessarie

perch, come vedremo, la presenza di gas influenza le temperature di transizione

nei prodotti metallurgici.

Laminazione A valle dei processi di colata si procede alla deformazione plastica del materiale

onde ottenere i prodotti finali commerciali. I processi di laminazione, o di

deformazione plastica a caldo, si conducono in gabbie di laminazione costituite da

una successione di cilindri rotanti attraverso i quali fatto passare lintermedio siderurgico ottenuto in precedenza.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/31/Rolling.gif


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Se s1 e lo spessore in ingresso ed s2 quello di uscita, dovendo essere eguali le

portate ho che s1v1=s2v2, per cui al ridursi della sezione la velocit aumenta.

Loperazione si conduce a temperature superiori ai 1200 C per incrementare la duttilit del materiale. Contemporaneamente al fenomeno, in conseguenza del

contatto con laria, si hanno processi di ossidazione che comportano la parziale decarburazione della superficie dellacciaio (C + O2 CO2) ed un parziale attacco ossidativo (3Fe + 2O2 Fe3O4). Per rimediare al decadimento delle caratteristiche superficiali del manufatto si esegue successivamente unoperazione di pelatura.

Importante osservare che tanto pi si riduce la sezione quanto pi si riducono gli

effetti dovuti alle porosit ed al ritiro, e cio maggiore il rapporto di riduzione

s1/s2 e maggiore la qualit dei prodotti siderurgici (nei pezzi di grosse

dimensioni, ad esempio quelli per stampi, si devono curare molto le operazioni di

degasaggio in quanto assente il contributo della saldatura delle porosit).

Nel corso della laminazione si effettuano delle lavorazioni intermedie di cui ci

occuperemo successivamente: ricottura completa (per i lingotti) e preriscaldo (per

billette).

Si deve osservare inoltre che non possibile tenere in linea diretta acciaieria e

laminatoio poich diverse possono essere le tipologie del prodotto finale e poich

eventuali intoppi in acciaieria non devono influenzare i lavori del laminatoio.

Particolare attenzione deve essere posta al disegno dei rulli deformatori ed alla

precisione di ingresso dei pezzi: devo tener conto dellusura dei rulli, inoltre la barra si potrebbe incagliare (a ci conseguirebbero situazioni estremamente

pericolose per la sicurezza degli addetti al processo).

Lavorazioni

meccaniche

La lavorazione per asportazione di truciolo a freddo ottenuta mediante una serie

di lavorazioni meccaniche che richiedono limpiego di macchine utensili. Le principali operazioni fondamentali di officina sono quattro:

1) limatura/piallatura

2) tornitura

3) fresatura

4) trapanatura

La differenza che intercorre tra di esse risiede nel moto relativo tra pezzo e

utensile. Nella limatura il moto relativo utensile-pezzo e di tipo traslatorio:

lutensile trasla ed elimina il truciolo; definisco profondit di passata la differenza tra lo spessore iniziale e quello finale, successivo alla lavorazione.

Nella tornitura il pezzo posto in rotazione e lutensile sempre diretto verso il centro di simmetria del pezzo. Nella fresatura il pezzo messo in traslazione e

lutensile in rotazione mentre nella trapanatura il pezzo fisso e lutensile in rotazione e traslazione.

lavorazione pezzo utensile allontanamento

del truciolo

piallatura fermo trasla +

tornitura ruota trasla -

fresatura trasla ruota ++

trapanatura fermo ruota e trasla --


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Esistono anche altri tipi di lavorazioni come alesatura, zigrinatura, filettatura,

etc.

http://www.youtube.com/watch?v=iNqouXRkbfE

I punti pi delicati del processo sono costituiti da:

1) usura utensile (dipendente dalla resistenza allusura del materiale in relazione alle caratteristiche di lavorabilit del pezzo)

2) qualit superficiale della lavorazione (dipendente dalle caratteristiche del

materiale e dai parametri di lavorazione meccanica)

3) lubrificazione (necessaria per ridurre lusura dellutensile, per raffreddarlo e favorire il distacco del truciolo)

4) velocit di passata ( il parametro pi importante per leconomia del processo) 5) eliminazione del truciolo (deve essere facilitata il pi possibile)

6) profondit di passata (differenza tra spessore iniziale e spessore finale,

determina la produttivit ed legata alla velocit di passata)

Il processo di formazione del truciolo metallico il risultato della combinazione

del taglio delle fibre da parte dellutensile e della deformazione plastica del truciolo nel corso del suo allontanamento da parte dellutensile; i due processi comportano una notevole sollecitazione sullutensile ed un diverso modo di allontanamento del truciolo in dipendenza alla qualit del materiale.

L'asportazione di materiale non dovuto ad azioni di taglio dell'utensile, bens

all'avanzamento della cricca indotto dallo scalzamento del truciolo.

La zona pi riscaldata quella di contatto tra il truciolo e lutensile, a causa dellattrito: lutensile taglia le fibre (tanto pi efficacemente quanto pi affilato) ma il massimo della sollecitazione si ha nella zona di strisciamento del truciolo; di

qui la necessit della lubrificazione e la necessit di materiali in cui il truciolo

tendano possibilmente a rompersi (specie in trapanatura e tornitura).

Gli acciai si distinguono in base al tenore di C in acciai a basso tenore di C

(0.1%), a medio C (0.4%) e ad alto C (0.8%); allaumentare del tenore di C diminuisce la duttilit mentre aumentano la resistenza a trazione e la durezza.

Loperazione di taglio delle fibre dunque facilitata in acciai ad elevata duttilit mentre la rottura del truciolo lo in acciai ad elevata durezza. Nelle situazioni

operative si dovr adottare una soluzione di compromesso tra questi due situazioni

limite.


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Per migliorare la frantumabilit del truciolo opportuno modificare la composizione del materiale con laggiunta di elementi di lega che portino alla segregazione di seconde fasi in grado di ottenere questo risultato. Si detto infatti

che le inclusioni riducono la tenacit a frattura di un materiale e questo quello

che vogliamo realizzare in sede di lavorazione meccanica.

Negli acciai a basso e medio tenore di C si aggiunge dello S; esso d origine a FeS

che fonde a circa 1100C e di conseguenza quando lamino un acciaio in cui si

abbia segregazione di FeS le gocce di liquido tendono ad allungarsi rendendo il

materiale anisotropo (normalmente indesiderato).

Per far s che i solfuri rimangano di forma tondeggiante (altrimenti si avrebbe un

materiale degradato dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche finali),

aggiungo del Mn, che d MnS, fusibile a temperature superiori a quella di

laminazione. In questo modo i solfuri rimangono tondeggianti e servono solo a favorire la rottura del truciolo.

Processo affine quello che prevede lutilizzo del Pb; esso un metallo che non ha alcuna solubilit nel Cu per cui segrega sotto forma di goccioline ed basso-

fondente. Il Pb determina quindi seconde fasi metalliche che non compromettono

la tenacit della lega. Nel corso della lavorazione esso tende a liquefare

provocando linnesco della frattura (lazione del Pb liquido diminuisce anche lattrito truciolo-utensile). Laggiunta del Pb si fa in siviera, prima della colata, non senza problemi di salubrit dellambiente di lavoro, legati alla forte tensione di vapore di tale metallo ( causa del saturnismo).

In alternativa possibile laggiunta di Ca, Se, Te per determinare inclusioni di forma tondeggiante.

Rettifica Il processo successivo a quello della lavorazione allutensile per asportazione del truciolo consiste nelloperazione di finitura (rettifica e lappatura). La profondit

di passata di unoperazione di tornitura dellordine del decimo di mm (100m) mentre quella di unoperazione di rettifica dellordine del centesimo di mm

(10m). A questo fine si utilizza la mola, un utensile costituito da granuli di abrasivo (corindone, diamante, SiC...) immersi in una matrice legante (ceramica,

polimerica, metallica...); nel caso di lavorazioni meccaniche viene usata

normalmente una matrice di tipo inorganico con granuli di corindone come

abrasivo.


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La mola ha un moto simile a quello di un utensile da fresatura; i granuli possono

per essere scalzati e la mola usurarsi. Un metallo duttile tende poi ad

impastare la mola, cio a spalmarsi su di essa e a farla quindi lavorare metallo su metallo. La rettifica deve essere pertanto condotta su materiali il cui truciolo estremamente fragile (un materiale facilmente tornibile quindi poco

rettificabile); il suo scopo principale quello di rendere la superficie a basso

grado di rugosit nella zona superficiale (tipica per linnesco di cricche di fatica). E' utile inoltre lavorare ad altissime velocit di taglio, per impedire la diffusione

e la moltiplicazione delle dislocazioni e quindi la deformazione plastica.

Fonderia Nel momento in cui si vuole realizzare un oggetto di forma particolarmente

complessa consigliabile ricorrere ad un processo di fonderia. Essa ben si adatta

a leghe metalliche a temperatura di fusione relativamente bassa ed a ridotta

affinit con lO2; inizialmente infatti le prime leghe da fonderia sono state quelle di Cu e Au, successivamente si passati a leghe di Fe, Al e Mg (in questi ultimi

due metalli laffinit con lossigeno per elevatissima). Il bagno metallico viene fatto colare in forme che possono essere permanenti o impermanenti.

Forma sciolta La forma sciolta costituita da sabbia di silice o cromite legata con unargilla (bentonite) e addizionata con acqua, che favorisce la formatura ed assicura la

resistenza meccanica. Questa sabbia pu essere riciclata per un numero finito di

volte, finch i granuli che la compongono non hanno gli spigoli smussati; in tal

caso infatti, aumenterebbe troppo la porosit, intrappolando il vapore all'interno

del getto. Il processo pu essere descritto nel modo seguente: si divide loggetto che deve essere colato con un opportuno piano di simmetria e faccio un calco

delle due parti (staffa superiore e staffa inferiore). In ogni staffa posso produrre

pi getti alimentati dal medesimo bastone di colata e ciascuno dei quali collegato

ad un canale di materozza .

Quando arriva la lega fusa, la forma deve avere una resistenza meccanica

sufficiente a resistere allimpatto che provoca: lattacco di colata (zona in cui il canale di colata sfocia nel getto) deve essere posto in una zona in cui minime

siano le possibilit di erosione della forma, lattacco di materozza deve essere invece posto il pi lontano possibile dallattacco di colata per evitare il formarsi di ostacoli nello stampo che ne impedirebbero il riempimento completo.


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E' inoltre importante che la solidificazione avvenga in modo direzionale, cio che

avvenga a partire dalla porzione di getto con pi basso modulo termico e finisca

con quella ad alto modulo termico (M = volume/superficie dissipante). Maggiore

il modulo, maggiore il tempo di solidificazione; due oggetti con volumi differenti

ma uguale modulo M, avranno tempi di solidificazione identici.

Per questo motivo, solitamente una materozza ben progettata viene collocata

proprio sulla parte di getto a pi alto modulo, in questo modo riuscir a rifornire

di ulteriore liquido la porzione di getto soldificante e perci soggetta a ritiro

volumetrico; la materozza quindi, sar l'elemento sacrificale del sistema, perch

ospiter il cono di ritiro.

Sempre per rispettare la soldificazione direzionale, possibile aggiungere dei

sovrametalli per aumentare la quantit di materiale nei punti in cui non rispettata

la sequenza corretta dei moduli di raffreddamento. Il sovrametallo utile anche

per creare gli angoli di sformo, che aiutano l'estrazione del getto solidificato dalla

forma, per proteggere le superfici destinate a finitura e per la creazione di raccordi

sugli spigoli (soprattutto nel sistema di alimentazione), utili sempre per favorire la

solidificazione ed evitare erosione della forma durante il riempimento. I

sovrametalli sono materiale di scarto, che verr quindi eliminato dalle successive

lavorazioni di taglio.

Si ricordi inoltre che l'acciaio fuso esercita una spinta sulla forma (spinta

metallostatica), che andr quindi dimensionata opportunamente per resistere allo

sforzo, eguagliando densit*volume di metallo e sabbia.

Prima di ogni operazione di fonderia quindi, necessario un profondo studio sul

modello e sul processo di colata, ed eventualmente possibile aiutarsi con

simulazioni CAE che anticipano con buona approssimazione gli esiti della colata

(dopo qualche ora di elaborazione dei dati).

http://www.finitesolutions.com/SOLIDCast/tabid/58/Default.aspx


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Tra metallo e forma possono aversi delle reazioni legate allaria presente nelle porosit della forma e allacqua usata per la presa del legante; la pi temuta quella di decarburazione:

C + H2O CO + H2 CO + O2 CO2

Come lega da fonderia si usa ad esempio la ghisa, lega Fe-C ad alto tenore di C

(circa il 4%). Per evitare le reazioni di decarburazione si aggiunge alla bentonite

della forma del carbonio derivante dalla decomposizione della pece (nerofumo);

esso reagisce con il vapor dacqua proteggendo il getto dalla decarburazione. Fondamentale nel processo il rapporto fuso/netto: il fuso dato dalla somma dei

getti, del canale di colata e della materozza, mentre il netto rappresentato dai

getti. Inutile dire che questo rapporto deve essere il pi basso possibile. Dopo la

colata si disfa la forma e separandola dalla parte metallica mediante vibrazioni

meccaniche.

Nel caso in cui si vogliano delle cavit nelloggetto (difficilmente realizzabili con operazioni di taglio) si inserisce della sabbia dove si vuole evitare che arrivi il

metallo. A questo fine si utilizza un oggetto detto anima costituito da sabbie legate

con resine (polimerizzanti a caldo o a freddo); lanima viene posta nella staffa e deve permanervi sino a quando la lega fusa sia solidificata. Verr poi eliminata

successivamente disgregandola durante loperazione di distaffaggio. Seguono le operazioni di smaterozzamento, granigliatura e le eventuali lavorazioni

meccaniche.


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Forma

permanente

Oltre alle forme in sabbia possibile usare forme permanenti, contenenti gi ad

esempio gli elementi che andranno a costituire le cavit (occorre per individuare

un piano di separazione che consenta di sformare loggetto). In questo caso si pu operare o una colata in gravit (conchiglia), in cui il metallo rovesciato in una

forma secondo lo schema precedente, o una colata sotto pressione (pressocolata,

talora chiamata pressofusione dai tecnologi, anche se in modo del tutto

improprio), in cui la lega immessa sotto pressione nello stampo, rendendo tra

l'altro inutile l'uso di materozze. Essendo in generale la forma di tipo metallico

posso avere il problema delladerenza getto-forma (in particolar modo con la pressocolata); in questo caso opportuno spruzzare un lubrificante a bassa

tensione di vapore (per evitare che i vapori vadano a costituire un difetto nel getto)

nella camera dello stampo in modo che agisca da distaccante. A tal scopo viene

usata una miscela acqua/olio.

Processo a

schiuma persa

Un processo di fonderia messo a punto in tempi recenti prende il nome di processo

a schiuma persa (lost foam); esso consiste nellutilizzo di modelli in polistirolo espanso, materiale facilmente stampabile ed assemblabile. Questo modello, cui

collegato un imbuto di colata anchesso in polistirolo, posto in un recipiente riempito successivamente di sabbia. A questo punto si rovescia la ghisa fusa

nellimbuto di colata: il polistirolo crackizza, brucia e lascia il posto al metallo fuso. Il modello deve essere precedentemente rivestito con una vernice refrattaria

per dare resistenza meccanica alla forma evitando che la sabbia sciolta circostante

entri nel getto. Questa vernice deve essere comunque sufficientemente permeabile

ai gas prodotti per decomposizione termica del polistirolo in modo da evitare

soffiature nel getto

Con questa tecnica non richiesto alcun condizionamento della sabbia, sono

assenti le bave di giunzione ed inoltre, nel momento in cui realizzano delle cavit,

non si deve ricorrere al complesso meccanismo delle anime; si consideri ad

esempio la produzione di un cilindro cavo: sufficiente produrre in polistirolo i

due semigusci, andarli ad incollare e procedere come descritto in precedenza.

Essendo il polistirolo molto deformabile, si deve avere molta cautela per evitare

che i getti possano essere di scarto. Inoltre un processo di questo tipo si rivela

adatto nel momento in cui si vogliano produrre getti di piccola serie e sia quindi

costoso ricorrere a delle forme permanenti.


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Schema del processo a schiuma persa

http://www.lostfoam.com/content/featured_articles/article1.php


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Processo a cera

persa

Processo concettualmente affine al precedente quello definito come processo a

cera persa che sfrutta la duttilit e malleabilit della cera per la realizzazione di

modelli, anche in questo caso dotati di un imbuto di colata e rivestiti

successivamente di un guscio refrattario. La differenza fondamentale sta nella fase

di deceratura che si ottiene girando di 180 la forma e ponendola in una stufa per

far fondere ed allontanare la cera. Nel guscio vuoto cos ottenuto (dotato peraltro

di significativa resistenza meccanica) si andr a colare il metallo (senza il

problema della combustione del polistirolo, tipica del caso precedente).

http://www.jepsculpture.com/bronze.shtml

Tecniche di

produzione per

stampaggio

Ultimo processo che andiamo a considerare lo stampaggio a freddo. Possono

essere stampati a freddo solo materiali con elevata duttilit, ad esempio acciai

inossidabili austenitici (basso tenore di C, struttura CFC adatta a deformazioni

plastiche).

Processo di Imbutitura

Con questa tecnologia si ottengono elevatissime precisioni dimensionali dei pezzi

stampati e non si hanno i fenomeni di ossidazione superficiale che accompagnano

di solito i processi di stampaggio a caldo. Unica limitazione quella posta dalla

resistenza intrinseca dei materiali che deve essere superata in quelle zone dove la

velocit di deformazione maggiore.

Difficilmente si utilizza una quantit di lamiera calibrata per ottenere il pezzo

nella forma desiderata; necessario avere una riserva di materiale che serve da

camera di compensazione nel processo di deformazione plastica (bava di

stampaggio). Con lo stampaggio (a freddo ed a caldo) lo sfrido considerevole ed

ha un peso economico molto significativo. In generale i vari processi che abbiamo

considerato si distinguono per la differenza tra la quantit di materiale di partenza

e la parte utile ottenuta alla fine.

Il processo con minori sfridi certamente la metallurgia delle polveri. Per

confrontare i vari processi devo anche tenere conto del materiale di partenza: se ad

esempio voglio produrre un albero a gomito con lo stampaggio a caldo dovr

partire da un acciaio, se invece lo voglio produrre con una tecnica da fonderia

dovr partire da ghisa sferoidale.

Stampo

Lamiera

Punzone


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Gli sfridi prodotti vanno ad alimentare i processi di metallurgia secondaria; in

genere distinguiamo:

1) metallurgia primaria: si riferisce a pezzi ottenuti direttamente da lega in cui la

materia prima il minerale

2) metallurgia secondaria: alimentata con il riciclo dei rottami. I rottami si

distinguono in nuovi (es. bave di stampaggio) o vecchi (derivano dal materiale a

fine vita, ad es. lattine); dal punto di vista economico costa ovviamente di pi il

rottame nuovo (ha un valore commerciale vicino a quello del materiale vergine).


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DIAGRAMMA DI STATO Fe-C , CURVE TTT e CCT

http://it.wikipedia.org/wiki/Diagramma_ferro-carbonio

http://xoomer.virgilio.it/treclassi/#metallurgia

http://www.gest.unipd.it/esercizi/IM_materiali_metallici/

I diagrammi di

stato Fe/C

Ci sono due diagrammi di stato Fe-C: uno stabile (Fe-grafite) e uno metastabile

(Fe-cementite) che si realizza a un livello di energia libera lievemente maggiore e

quindi a temperature inferiori rispetto allequilibrio stabile. In questo secondo diagramma Fe-Fe3C la cementite (Tm circa 1300C anzich gli

oltre 3000C del carbonio), che un composto interstiziale instabile, tende a

decomporsi in Fe3C 3Fe+C. Nei processi al raffreddamento dalla fase liquida con formazione di grafite proeutettica si osserva una pi spiccata tendenza del

sistema a seguire il diagramma di stato stabile. In pratica con il diagramma di stato

stabile si seguiranno le trasformazioni che hanno luogo al raffreddamento del bagno

metallico liquido; mentre le trasformazioni allo stato solido seguono

preferenzialmente il diagramma di stato metastabile.

Termini metallografici

ferrite

austenite

Fe3C cementite

+ Fe3C perlite (eutettoide)

+ Fe3C ledeburite (eutettico)

meno del 2.11% C acciai

pi del 2.11% C ghise

Acciaio con 0.4% di C ferrite proeutettoidica e perlite

Acciaio con 2.11% di C cementite proeutettoidica e perlite

Ghisa con 2.5% di C grafite eutettica, cementite proeutettoidica e perlite

Perlite miscuglio meccanico di ferrite e cementite


15

Lettura del

diagramma di

stato

Il Fe puro a 910C subisce la trasformazione allotropica Fe Fe (passaggio da struttura CCC a struttura CFC); a 1400C Si ha una seconda trasformazione

allotropica: Fe Fe (da struttura CFC a struttura CCC) ed a 1535C si ha la

fusione del ferro: Fe liquido.

Questi punti sono tutti di invarianza ( = 1+1-2). Da un punto di vista termodinamico, da ogni punto di invarianza nascono due linee

di monovarianza; landamento delle linee che delimita il campo (austenite) quello indicato, in quanto il C un elemento stabilizzante della forma CFC; esso

trova facilmente spazio interstiziale in una struttura CFC mentre trova poco spazio

in una struttura CCC. A 727C si individua una trasformazione allo stato solido in

cui + C (trasformazione eutettoidica); alleutettoide sono presenti tre fasi e si in condizioni di invarianza.

Nella parte alta del diagramma ho una trasformazione peritettica: + liquido (1495C); in questa trasformazione, anchessa di invarianza, il punto rappresentativo del liquido si trova allestremo del segmento che unisce i punti relativi ai due solidi coinvolti: al peritettico un solido si decompone in un liquido ed

in un altro solido, con il liquido fase pi ricca di soluto.

A 1154C si ha la trasformazione eutettica: liquido + C. Le temperature indicate nel diagramma sono ottenute sperimentalmente: sui diversi

testi di metallurgia se ne possono trovare altre differenti, seppur di poco. Ci accade

perch il diagramma di stato relativo a condizioni di equilibrio, raggiungibili solo

in un tempo infinito, per cui difficile determinare quantitativamente le temperature

corrispondenti alle varie trasformazioni.


16

Perch il Fe ha due forme allotropiche? La ragione di tipo termodinamico: da

temperatura ambiente sino a 910C minore lenergia libera della fase CCC rispetto a quella della fase CFC; il comportamento si inverte nellintervallo 910C

1400C. La fase analoga alla fase con un leggero aumento delle costanti reticolari in conseguenza dellaumentata temperatura

Conseguenza di ci che la solubilit del C nel Fe maggiore che nel Fe essendo la solubilit del C legata alla disponibilit di spazi liberi nel reticolo.

Quando disegniamo una cella elementare riportiamo solo i baricentri degli atomi; in

realt per se andiamo a considerare gli atomi come sfere di raggio pari al raggio

atomico medio, in alcuni casi essi si toccano. Nel reticolo CCC ci accade lungo la diagonale della cella, per cui gli spazi liberi

sono il centro faccia ed il centro spigolo; nel reticolo CFC ci accade sulle

diagonali delle facce, per cui gli spazi liberi sono il centro cella ed il centro spigolo

I raggi dei siti della cella CFC sono notevolmente superiori a quelli della cella

CCC; in particolare r10.02 rFe ed r20.25 rFe per cui troveremo il C essenzialmente a centro cella (soluzione solida interstiziale). Quanti atomi ci sono nella cella CFC?

Considerando gli atomi ai vertici della cella in comune con otto celle, quelli al

centro della faccia in comune con due, facile calcolare che alla cella CFC

appartengono 4 atomi di Fe. In ogni cella entra un atomo di C per cui il limite

teorico di solubilit del 20% atomico in C e dell 80% atomico in Fe, corrispondente al 5.1 % in massa. Ma in realt la solubilit di C assai inferiore.

Ci accade perch il raggio del C maggiore di quello del sito pi ampio a

a0

T

910 1400

0,293 0,286

nm


17

disposizione nella struttura CFC e quindi la sua introduzione nel reticolo del Fe

comporta una certa deformazione.

Nel Fe la solubilit modestissima (0.02, 0.03%) in quanto la distorsione conseguente allintroduzione di C enorme. Osserviamo infine che la curva relativa allequilibrio grafite - liquido tratteggiata; la grafite dovrebbe infatti fondere ad una temperatura superiore ai 3000C.

Si consideri ora il diagramma di stato metastabile, che come gi detto, viene seguito

per le trasformazioni allo stato solido:

Le trasformazioni di invarianza si hanno a temperature inferiori a quelle che

competono al diagramma di stato stabile; esiste infatti un ritardo nelle

trasformazioni legato alla velocit di trasformazione (inerzia); il massimo

delleffetto si ha sulla temperatura della trasformazione eutettica che passa da 1154C a 1148C.

Nel diagramma metastabile si ha un limite a destra corrispondente al 6.67% di C

(Fe3C). La cementite ha una temperatura di fusione attorno ai 1300C; essa non

sperimentalmente raggiungibile in quanto al riscaldamento la cementite tende a

decomporsi in Fe + Cgrafite.

Importante il limite di solubilit del C nel Fe (pari al 2.11%) poich in base ad esso distinguiamo acciai e ghise: acciaio una lega Fe-C con tenore di C minore al

2.11%, ghisa una lega Fe-C con tenore di C superiore al 2.11%. Da un altro punto

di vista, gli acciai sono leghe per le quali non si hanno trasformazioni di tipo

eutettico nel corso del raffreddamento.

Si osservi cosa succede al raffreddamento di un acciaio ipoeutettoidico (con circa

0.4% di C). Alla temperatura T1 dal liquido segrega la ferrite. Successivamente il solido si arricchisce di C, cos come il liquido la cui composizione tende a quella

del liquido peritettico; aumenta la frazione di solido e progressivamente diminuisce

quella di liquido.

Alla temperatura peritettica inizia a separarsi la fase di composizione pari a 0.17%

Lega allo 0,4%


18

di C. Quando tutta la ferrite scomparsa per reazione con il liquido peritettico, la

temperatura ricomincia a discendere: la fase si arricchisce in C cos come il liquido che progressivamente scompare. A partire da T2 ho solamente austenite,

sino a T3 quando inizia la segregazione di ferrite. La temperatura subisce un nuovo arresto quando si arriva alla temperatura

eutettoidica dove laustenite rimasta si decompone in ferrite e grafite (se si seguisse il diagramma stabile, mentre si registra sperimentalmente che in queste

condizioni si segue essenzialmente quello metastabile e quindi laustenite si trasforma in perlite); alla scomparsa dellaustenite la temperatura pu nuovamente ridiscendere.

1. Ferrite (zone chiare)+ perlite (zone scure) in un acciaio ipoeutettoidico

T3

+liq

++liq

+liq

+

++Fe3 C

t

T

Te

T2

Tp

T1


19

Per un acciaio eutettoidico, il cammino al raffreddamento il medesimo; alla fine si

avr solamente una miscela meccanica di ferrite e cementite che prende il nome di perlite, poich al microscopio metallografico presenta un colore madreperlaceo. La

perlite non una fase ma un miscuglio meccanico di due fasi nelle proporzioni che

posso ricavare con la regola della leva:

% ferrite = (6.67-0.8)/(6.67-0.02) = 88% % Fe3C = 12%

Il costituente prevalente della perlite dunque la ferrite. A bassi ingrandimenti difficile risolvere con il microscopio metallografico la ferrite dalla cementite e per

questo motivo a questa miscela si d un unico nome. Con gli attuali microscopi

elettronici a scansione si possono perfettamente apprezzare le due fasi costituenti la

perlite.

2. Perlite


20

Per un liquido di composizione ipoeutettica la prima fase che segrega al

raffreddamento laustenite. Quando arrivo alleutettico ci che accade dipende dalla velocit di raffreddamento: se essa elevata il sistema segue il diagramma

metastabile e si ha segregazione di austenite e cementite (ledeburite), se essa

lenta il sistema segue il diagramma stabile. Da qui la differenza tra ghise bianche e

ghise grigie: nelle prime, ottenute seguendo il diagramma metastabile, la frattura ha

lucentezza metallica poich metalliche sono le fasi presenti; nelle seconde, ottenute

seguendo il diagramma di stato stabile, la frattura ha colore grigiastro per la

presenza di grafite.

3. Ledeburite

Per un liquido di composizione ipereutettica si ha generalmente al raffreddamento

la segregazione di C sotto forma di grafite (grafite proeutettica) ed il liquido

progressivamente si impoverisce di C. Arrivati alla temperatura eutettica il liquido

scompare per lasciare posto a che cosa? Dovendo avere luogo una trasformazione

tra fasi solide, si potrebbe pensare che il processo segua il diagramma di stato

metastabile, ma ci non accade perch i cristalli di grafite proeutettica tendono ad

accrescersi a spese del C che cede il liquido. Arrivati alla temperatura

delleutettoide la trasformazione segue il diagramma di stato metastabile: laustenite scompare per lasciare il posto alla perlite. Il risultato finale sar dunque costituito da

cristalli di grafite immersi in una matrice perlitica.

Come vedremo pi oltre tale matrice pu essere modificata grazie al trattamento

termico di ricottura, che provoca la decomposizione della perlite e lascia una

matrice completamente ferritica.


21

4. Noduli di grafite immersi in una matrice ferritica (di ricottura)

Trasformazioni

dellaustenite Quando c meno dello 0.77% di C in lega, entrando nel campo bifasico di , dallaustenite iniziale inizia a formarsi a bordo grano ferrite che si espande ulteriormente verso il centro del cristallo tanto pi quanto pi bassa la percentuale

di C.

Se la percentuale di C 0.77%, si former tutta perlite al posto del cristallo di

austenite originario.

Ancora, sopra lo 0.8% di C in lega, si former a cuore perlite e individua il grano di

austenite originario tramite il reticolato della cementite formata a bordo grano.

Formazione

della perlite

5. Effetto del tempo sui fenomeni diffusivi (Cinetica di formazione delle colonie)

Alleutettoide laustenite tende a scomparire mentre la ferrite tende ad espandersi, perturbando i bordi grano. A 0.77% di C il carbonio in eccesso viene diffuso.

In prossimit della prima lamella (nella figura costituita da ferrite) si verifica un

notevole eccesso di C nellaustenite che tende per ragioni termodinamiche a trasformarsi; si forma allora una lamella di cementite che consuma leccesso di C. Ma il C tende ad andare dove si creano condizioni favorevoli allunione con il Fe:


22

questo fa s che la zona austenitica originata sia molto povera di C creando nuove

condizioni perch si formi altra ferrite.

Linterasse tra due lamelle di ferrite o di cementite si chiama distanza interlamellare.

Qual il tempo a disposizione perch si formino le colonie perlitiche?

A 727C in condizioni di equilibrio la temperatura rimane costante finch esiste

austenite (condizioni di invarianza), ma la velocit di asportazione del calore

influenza le trasformazioni Raffreddando lentamente si avrebbe un tempo molto

lungo, e quindi molto tempo per i fenomeni diffusivi, ottenendo lamelle spesse e

distanti; invece raffreddando velocemente si avranno lamelle sottili e vicine.

A velocit ancora pi alte (in funzione del tenore di carbonio) il C non riesce pi ad

uscire dal reticolo dellaustenite dando luogo a una nuova fase chiamata martensite (forma allotropica metastabile dellacciaio).

Focalizziamo ora la nostra attenzione sulla trasformazione austenitica.

Indichiamo con A1 la temperatura alla quale si ha la trasformazione eutettoidica e

con A3 la temperatura di austenitizzazione. Esse si riferiscono a trasformazioni

realizzate in condizioni di equilibrio; A3 funzione della percentuale di C in lega

ed A1 funzione della velocit di riscaldamento vc (c = chauffage) o di raffreddamento vr (r = refroidissement). Sperimentalmente si osserva che A1 > Ar1 e che A1 < Ac1: per un acciaio, la trasformazione eutettoidica si ha dunque al

riscaldamento ad una temperatura maggiore di quella di equilibrio ed al

raffreddamento ad una temperatura inferiore. Per definizione A1 corrisponde ad

una situazione in cui vc = vr = 0. Un comportamento del tutto analogo si ha per

quanto riguarda la temperatura A3. Se ad esempio riscaldo con una vc = 5C/h Ac3

A3 ma con vc = 5C/s Ac3 >> A3.

E possibile in questo modo giungere a diagrammi sperimentali che riportano le temperature delle trasformazioni eutettoidiche e di austenitizzazione in funzione

della velocit di raffreddamento o di riscaldamento.

Formazione della perlite


23

Trasformazioni

al raffredd.

Osserviamo la variazione della temperatura alla modifica della velocit di

raffreddamento

A3 A1 con un tenore di C=0.77%

Si pu osservare che A3 diminuisce in maniera molto superiore ad A1 allaumentare della velocit di raffreddamento. Nel punto in cui A3 A1 non viene pi segregata ferrite proeutettoidica, ma solo ferrite eutettoidica.

Inoltre a temperatura molto pi bassa e sostanzialmente costante avviene la

trasformazione martensitica (velocit critica inferiore).

http://www.unibg.it/dati/bacheca/497/16534.pdf

Trasformazione

martensitica

La trasformazione eutettoidica governata da fenomeni di diffusione e nucleazione:

allaumentare della velocit di raffreddamento diminuisce la velocit di diffusione e aumenta quella di nucleazione causando cos una diminuzione della distanza

interlamellare e la perlite diventa sempre pi fine.

6. A velocit di raffreddamento pari alla velocit critica inferiore l = 0.

La trasformazione martensitica influenzata solo dalla temperatura alla quale

avviene e questa ( martensite start Ms) non governata da fenomeni diffusivi; si

avr dunque solo un riassestamento del reticolo cristallino: latomo di C al centro della cella CFC passa in posizione interstiziale nel reticolo tetragonale corpo

centrato.


24

Il C vorrebbe uscire per dare origine alla ferrite, ma non riesce e quindi passa in

posizione interstiziale sugli spigoli. Ma la cella CCC ha costante reticolare pari ad

a0 e se il C tende ad occupare gli spigoli (una frazione) allaumentare della percentuale di C la cella CCC subisce una deformazione (deformazione di Bain) che

crea un allungamento della cella e relativa diminuzione del lato di base. Anche se in

realt solo una piccola parte degli spigoli occupata, il C interstiziale crea numerosi

vincoli e ostacola il movimento delle dislocazioni: per questo motivo la martensite

una fase molto dura e poco deformabile plasticamente.

http://www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/2003/Lattices/bain.html

La trasformazione martensitica provoca un cambiamento drastico della struttura,

par questo fondamentale nel rafforzamento degli acciai. Ad esempio:

C


25

Trasformazioni

di fase in

funzione del

tempo

Abbiamo due possibili approcci per valutare le trasformazioni in seguito a rapidi

raffreddamenti:

la via teorica a temperatura costante (isoterma) curve TTT (Temperature Time Transformation)

la via reale a velocit di raffreddamento costante (anisoterma) curve CCT (Continuous Cooling Transformation)

Le curve TTT

Queste curve vengono costruite nellipotesi di seguire una legge di raffreddamento ideale: si deve passare da una temperatura di completa austenitizzazione alla

temperatura di interesse in un tempo ridottissimo e poi mantenere la temperatura

sino a che la trasformazione non conclusa.

In pratica si pone il materiale in un forno di austenitizzazione, da qui in un forno di

trasformazione (ipotizzando che la temperatura passi istantaneamente da quella di

austenitizzazione a quella di mantenimento) dove lo si lascia per un tempo infinito

(minore la temperatura e minore il tempo richiesto per il completamento della

trasformazione: allinizio della trasformazione infatti, devono formarsi nuclei di cristallizzazione con abito diverso da quello austenitico e la spinta termodinamica

tanto maggiore quanto minore la temperatura). Supponendo di considerare un

acciaio di tipo eutettoidico, si riportano in un diagramma i punti di inizio e di fine

della trasformazione dellaustenite in perlite.

http://info.lu.farmingdale.edu/depts/met/met205/tttdiagram.html http://rpdrc.ic.polyu.edu.hk/content/hot_metal_process/heat_treatment1.htm


26

Il parametro che controlla il processo la velocit di nucleazione: abbassando la

temperatura la velocit aumenta inizialmente; ad un certo punto il rallentamento dei

fenomeni diffusivi diviene preponderante ed i tempi iniziano ad allungarsi (naso della curva; in corrispondenza di questa temperatura ho il migliore compromesso tra

aumento della velocit di nucleazione e diminuzione di quella di diffusione).

A temperature inferiori si incontra il punto Ms, temperatura alla quale inizia a

formarsi il primo cristallo di martensite.

Giunti alla temperatura Mf tutta laustenite di partenza diviene martensite. Tra Ms ed Mf parte del materiale diviene istantaneamente martensite (non richiesta

diffusione) ed il resto segue le trasformazioni previste dalle curve di Bain.

Sulle curve a temperatura superiore ad Ms si pu valutare anche il tempo di

incubazione, cio il tempo che intercorre fra listante in cui si porta il materiale alla temperatura di interesse e listante in cui inizia la trasformazione. Essa segue una legge di tipo sigmoidale.

La curva 1 si riferisce ad una temperatura di partenza vicina a quella delleutettoide (la velocit di nucleazione bassa); la curva 2 si riferisce ad una temperatura vicina

al naso (la velocit di trasformazione minore per il rallentare dei fenomeni diffusivi); la curva 3 si riferisce ad una temperatura molto al di sotto del naso. Esaminando le curve di Bain si pu presentare la trasformazione bainitica; essa

presenta alcune caratteristiche tipiche delle trasformazioni con diffusione (t.

perlitica) ed altre tipiche di trasformazioni senza diffusione (t. martensitica). Esiste

infatti un punto di inizio della trasformazione (Bs) come per la trasformazione

martensitica, ma la bainite deriva da processi diffusivi.


27

Si detto, parlando della struttura perlitica, che la distanza interlamellare

diminuisce al diminuire della temperatura . Osservando la struttura al microscopio

metallografico (2000X) ad un certo istante non si distingue pi la perlite. Solo con

un microscopio elettronico a scansione (oltre i 10000X) osservo una struttura

estremamente fine (bainite). Individuo due forme di bainite: la bainite superiore (si

forma a temperature pi elevate ed costituita da una miscela meccanica di ferrite e

cementite in cui la cementite a bastoncelli e non lamellare) e la bainite inferiore (si

forma a temperature inferiori ed in essa non troviamo cementite ma carburi

tondeggianti, essenzialmente non di equilibrio, ad esempio il carburo (Fe2,3C), pi ricco di C rispetto al carburo previsto dal diagramma di stato, perch formato a

bassa temperatura, quando la diffusione rallentata).

Dal punto di vista meccanico passando dalla perlite che una miscela di lamelle

duttili (ferrite) e lamelle fragili (cementite); nella bainite si passa ad una miscela

particolarmente intima di ferrite e cementite che tende ad assumere un

comportamento medio. La bainite possiede quindi una buona tenacit se confrontata con la martensite e una

resistenza a trazione maggiore rispetto alla perlite.

http://www.msm.cam.ac.uk/phasetrans/italian/bainiait.html


28

8. Bainite inferiore


29

9. Bainite superiore


30

Le curve CCT Le curve TTT vengono costruite nellipotesi di eseguire un raffreddamento ideale; nella realt ci non accade, per cui non sarebbe corretto sovrapporre ad esse le

curve indicanti il raffreddamento reale per individuare le trasformazioni che

interessano il materiale. In prima approssimazione prassi consueta fare i

ragionamenti seguenti:

La curva 1 si riferisce ad una velocit di raffreddamento costante v1 (= vcs) ed

essendo tangente alla curva di inizio trasformazione tutta laustenite si trasforma in martensite; la curva 2 si riferisce ad una velocit di raffreddamento costante v2 (=

vci) in conseguenza della quale tutta laustenite subisce una trasformazione di tipo eutettoidico. La velocit v2 sicuramente molto inferiore a v1 (si osservi che la

scala dei tempi logaritmica). Le curve di raffreddamento sono per state

sovrapposte a curve di raffreddamento continuo; cosa comporta il raffreddamento

continuo rispetto a quello ideale?

In qualsiasi istante, i punti della curva reale sono molto al di sopra della curva

ideale. Tra T0 e T1 nella trasformazione reale non succede nulla mentre in quella

ideale questo un periodo di incubazione, nel quale si formano i germi di

nucleazione. Tra T1 e T2 la nucleazione avviene a temperature maggiori a quelle che

si hanno idealmente. Il sottoraffreddamento reale, cio la distanza tra la temperatura

di equilibrio e la temperatura di raffreddamento reale, sempre inferiore al

sottoraffreddamento ideale (di valore costante pari alla differenza fra la temperatura

A1 e quella di trasformazione); ci comporta una minore tendenza alla nucleazione

nel caso reale rispetto a quello ideale. Per un raffreddamento reale il tempo di

incubazione sar dunque superiore di quello ideale. Si consideri, nel grafico

seguente, la variazione della % di trasformazione nel tempo in conseguenza di un

raffreddamento con v = vcs nel caso reale e nel caso ideale.

100%

% tras

t

(Vcs)i

i

(Vcs)r

2

T

1

Log t

T1 T2 T0


31

Come cambiano le curve TTT nel caso di un raffreddamento reale? Esse si spostano

in basso ed a destra e divengono curve CCT (Continous Cooling Transformation)

Sovrapponendo la curva di raffreddamento reale alle CCT di figura si individuano

alcuni istanti caratteristici: a t1 inizia la trasformazione di tipo eutettoidico

(austenite perlite), a t2 si arresta la trasformazione austenite perlite e permane una certa quantit di austenite (austenite residua), tra t2 e t2 non ci sono trasformazioni, a t3 tutta laustenite residua diventa martensite. Le curve di raffreddamento continuo sono dunque quelle corrette per individuare le

trasformazioni; il loro tracciamento implica per notevoli difficolt in quanto

occorre utilizzare mezzi di raffreddamento con diversa capacit raffreddante. Per

questo motivo pi semplice descrivere le trasformazioni con le curve TTT. Iinfatti

raffreddando con una velocit pari a quella della curva 1, questa condizione pi

che sufficiente per garantire la trasformazione martensitica totale (essendo a sinistra

del naso della curva CCT).

Dal momento che le curve CCT descrivono il comportamento reale dei materiali,

come si individua la trasformazione bainitica?

Negli acciai convenzionali (al C) il Bs compreso nella zona che interessa la

trasformazione perlitica: il naso della trasformazione bainitica va a coincidere con il

naso della trasformazione perlitica

Ms

t3 t1 t2 t2

T

Log t

Mf

T

Log t

Bs


32

Negli acciai legati le curve TTT hanno invece due nasi distinti: il primo relativo alla

trasformazione austenite perlite, il secondo relativo alla trasformazione austenite

bainite.

A t1 inizia la trasformazione austenite perlite che si conclude a t2, a t3 parte dellaustenite residua si trasforma in bainite, a t4 laustenite rimasta si trasforma in martensite.

Nelle curve CCT relative ad acciai convenzionali non si ha indicazione della

trasformazione bainitica; nelle curve relative ad acciai legati esse si presentano

invece nel modo seguente

Negli acciai legati si ha dunque modo di giungere a strutture complesse con la

contemporanea presenza di perlite, bainite e martensite.

T

Log t

t1 t2 t3 t4

T

Log t

Bs

Ms


33

La

trasformazione

perlitica

Al tempo 0 ci troviamo ad una temperatura superiore ad A3 cio completamente in

campo austenitico. Si raffredda la lega istantaneamente fino alla temperatura di

trasformazione dellaustenite e la si mantiene a questa temperatura per tutto il tempo necessario al completamento della trasformazione. A temperature poco

inferiori ad A3 si hanno velocit di nucleazione modeste e velocit di diffusione

elevate: otterremo cos una perlite a grande distanza interlamellare fermo restando

che necessario un tempo di incubazione che permette ai germi di cristallizzazione

di formarsi e mantenersi stabili.

La trasformazione inizia in 1 e termina in 2.

Si noti cosa succede nei casi reali, cio quando il raffreddamento continuo: Se

effettuiamo un raffreddamento e rileviamo le temperature e le trasformazioni che

avvengono nel tempo, osserviamo che:

tutto t0 utile allincubazione perch tutto sotto la temperatura di trasformazione eutettoidica

i fenomeni di nucleazione non sono ancora iniziati poich sopra A3 e inizieranno in t1, dunque per completare la nucleazione necessario un tempo

ancora superiore.

in t2 inizia il guadagno e si nota che le trasformazioni sono ritardate (in effetti rispetto alle curve TTT le curve CCT sono spostate a destra e verso il

basso).

1 2


34

Curva CCT relativa ad un acciaio eutettoidico

Alla velocit v0 inizia la trasformazione perlitica in 1, non si interseca mai la curva di fine trasformazione ma si incrocia quella di Ms e Mf. Si noti dunque che

a determinate temperature la trasformazione perlitica si interrompe, laustenite si trasforma in perlite e ad una determinata temperatura laustenite residua si trasforma in martensite dando quindi origine a una struttura con compresenza di

perlite e martensite.

Alla velocit critica superiore avremo tutta perlite, a quella inferiore tutta martensite.

Per acciai non eutettoidici:

Con un raffreddamento abbastanza lento v1, partendo da una fase completamente austenitica, in 1 inizia a formarsi ferrite, in 2 perlite e in 3 finisce

la trasformazione. Otterremo in questo caso una quantit di ferrite inferiore

rispetto alle condizioni di equilibrio.

T

Log t

A3

A1

Ms

Mf

Bs


35

in 2 non si forma pi ferrite ma solo perlite. In 4, quando si attraversa il Ms, laustenite residua inizia a trasformarsi in martensite fino allattraversamento di Mf.

A velocit di raffreddamento pari alla velocit critica superiore non si forma pi perlite, ma solo martensite.

A velocit pari alla velocit critica inferiore si forma solo perlite.

Per acciai legati ipoeutettoidici avviene anche la trasformazione bainitica.

Riferendoci alle curve CCT si osserva che in:

1 inizia a formarsi ferrite

2 fine perlite e inizia a formarsi perlite

3 fine perlite

4 inizia a formarsi bainite

5 fine bainite e inizia a formarsi martensite

6 fine martensite

T

Log t

A3

A1

Ms

Mf

Bs

1 2

6

3

4

5


36

Osserviamo quindi che si individua una nuova linea Bs. La bainite si forma

attraverso fenomeni di diffusione e il suo costituente principale la ferrite.

Formula

empirica del

martensite

start

Gli elementi leganti agiscono sulle curve di trasformazione spostando a destra e in

basso le curve di Bain, in quanto, siano essi sostituzionali o interstiziali, provocano

una distorsione nel reticolo dellaustenite (distorsione che dipende dalla quantit di legante e dalla differenza di elettronegativit, causa di perturbazioni di tipo

elettrico) che ostacola le trasformazioni (legate a processi diffusivi appunto

ostacolati in un reticolo distorto). Il nuovo punto di inizio della trasformazione

martensitica pu essere individuato con la seguente espressionedi tipo

sperimentale:

Ms = 514 x Fx -18

FC = 1-0.62 %C

Fcr = 1-0.07 %Cr

Fni = 1-0.045 %Ni

Fmn = 1-0.092 %Mn

FSi = 1-0.033 %Si

FCo = 1+0.012 %Co

Fi diminuisce tanto di pi quanto maggiore il coefficiente della percentuale

dellelemento di lega, di conseguenza leffetto austenitizzante del C molto maggiore di quello dovuto al Cr. Il C infatti un elemento interstiziale che d un

effetto distorcente tale da rendere difficoltosi i processi diffusivi e possiede inoltre

unelettronegativit molto diversa da quella del Fe. Perci lelemento che abbassa di pi Ms il C. Osserviamo che in presenza di pi elementi leganti ciascuno di essi

abbassa Ms della quota che gli corrispondente.


37


38

I TRATTAMENTI TERMICI

http://it.wikipedia.org/wiki/Trattamenti_termici_degli_acciai

http://www.youtube.com/watch?v=COasmrnxbqg

I trattamenti termici sono particolari cicli termici a cui si assoggetta il materiale per

garantire alcune caratteristiche prestazionali, ad esempio per migliorarne la deformabilit

plastica a freddo, migliorarne la resilienza, etc.. Si hanno due tipi di trattamenti termici

distinti: sul grezzo (per lo pi massivi) e sul finito (per lo pi superficiali).

Con trattamenti termici sul grezzo si intendono quei trattamenti in cui non interessa

evitare ossidazione superficiale, decarburazione, danneggiamento della zona superficiale,

in quanto essa sar sicuramente asportata dalle lavorazioni meccaniche successive.

Nei trattamenti termici sul finito invece, si vuole preservare la zona superficiale, in quanto

essa sar al massimo interessata da successive operazioni di finitura (rettifica), che

manterranno quasi tutta la zona superficiale in servizio.

In conseguenza, il trattamento sul grezzo prevalentemente eseguito in aria (in alcuni casi

sottovuoto), mentre quello sul finito eseguito in atmosfera controllata (sotto vuoto o con

atmosfere sintetiche).

Ogni operazione di trattamento termico comporta una fase di riscaldamento in cui, per

forza di cose, la variazione di temperatura differente tra superficie e cuore del materiale,

differenza tanto maggiore quanto pi distante la superficie dal cuore. Questo stesso

divario tanto maggiore quanto minore la conducibilit termica del materiale. Pezzi

massicci ed a bassa conducibilit termica devono essere pertanto riscaldati a bassa

velocit; infatti, in conseguenza dellincremento di temperatura, la superficie del materiale si dilaterebbe, andando in trazione, inducendo nel cuore una compressione.

Quando trazione > rottura si forma una cricca: per diminuire la tensione di trazione devo ridurre la differenza di temperatura tra superficie e cuore, operando quindi un oculato

preriscaldamento portando la superficie ad una temperatura T1 e lasciando per un certo

tempo il materiale a temperatura costante, per dare tempo al cuore di raggiungere la

temperatura della superficie.

Questo tempo influenzato dal valore della conducibilit del materiale: meglio il materiale

conduce il calore e minore il tempo di permanenza in temperatura (il Fe ha una media

conducibilit termica - 73W/mC - mentre quella degli acciai inossidabili e degli acciai molto legati decisamente pi bassa - ~20W/mC).

Operando un preriscaldamento a gradini si evita la formazione di cricche e si giunge ad una temperatura superiore a quella di austenitizzazione; ci pu essere finalizzato o a

distruggere una struttura preesistente, per eliminare eventuali problemi strutturali, o per

favorire il passaggio ad una struttura differente (martensite). La fase di ricristallizzazione

del materiale con passaggio da una struttura di bassa temperatura ad una di alta pu servire

per eliminare gli inconvenienti derivanti dai processi termomeccanici precedenti.

Consideriamo ad esempio un processo di deformazione plastica a freddo come la

trafilatura di un filo con struttura fibrosa ferritico-perlitica.

La fase deformabile plasticamente la ferrite: i suoi cristalli si orientano nella direzione di

deformazione e risultano alla fine fortemente incruditi, oltre al fatto che il materiale non

pi isotropo. Con un trattamento termico di ricottura (passaggio a struttura austenitica) si

possono indurre caratteristiche isotrope al materiale. Laustenitizzazione quindi elimina gli effetti dovuti a processi di deformazione plastica a freddo.

Si consideri ora un lingotto: il cuore ha una maggiore concentrazione degli elementi di

lega e per eliminare questa differenza di composizione tra cuore e pelle, si dobranno

favorire i fenomeni di diffusione. Ci si realizza mantenendo la lega in temperatura per un

tempo sufficiente perch questi fenomeni di diffusione abbiano luogo (il tempo deve

essere comunque tale da limitare fenomeni di ingrossamento del grano austenitico). Il

trattamento termico pu dunque anche servire per eliminare eventuali discontinuit

chimiche.

A questo punto si raffredda; a seconda delle modalit in cui il raffreddamento viene

eseguito, si pu arrivare o ad una struttura intermedia pi facilmente lavorabile (che

successivamente dovr subire un nuovo trattamento) oppure ad una struttura idonea per la

messa in opera (in questo caso occorre maggiore attenzione alla dimensione del grano

austenitico).

Trattamen

ti termici

massivi:

Ricotture

Esistono varie tipologie di ricotture attraverso le quali si possono ottenere diversi effetti:

Ricristallizzazione (es. per le lamiere)

Omogeneizzazione (es. per i lingotti)

Sferoidizzazione (es. prima di lavorazioni meccaniche a freddo)

Stress relieving (addolcimento)

Stabilizzazione dimensionale (es. nei getti da fonderia)

Ricottura

completa

Essa viene effettuata spesso sui lingotti che:

Hanno la superficie pi povera in elementi leganti rispetto al cuore

Sono per natura disomogenei, in quanto la velocit di nucleazione sulle pareti della lingottiera molto bassa.

Sono destinati a processi di deformazione plastica successiva. Senza ricottura e dopo laminazione avrebbero una struttura fibrosa, fatto che rende difficili le operazioni per

asportazione di truciolo

Gli obiettivi in generale della ricottura completa, sono quelli di far ricristallizzare e

omogeneizzare la struttura del pezzo.

Si porta il materiale a una temperatura superiore ad A3 di circa 50-80C (a seconda del tenore di C

in lega), lo si mantiene in forno per tempi sufficientemente lunghi (relativamente alla % di C che

correlata con i fenomeni di diffusione) e lo si fa raffreddare lentamente in forno (i tempi

dipendono dalla capacit termica dei materiali e del forno). In questo caso la ricottura si chiama

ipercritica; sotto A1 si chiama subcritica, mentre tra A3 e A1 intercritica ( [A3-A1] si

chiama intervallo critico perch quello in cui avviene la trasformazione austenitica).

La carica del forno viene scelta a seconda della produttivit desiderata e della capacit termica

della carica stessa. Per aumentare la produttivit e diminuire limpegno del forno possibile coibentare i pezzi con argilla espansa durante il raffreddamento fuori forno, conseguendo cos un

raffreddamento pi lento.

In pi, raffreddando lentamente, possibile anche ottenere leffetto di stress relieving poich si

raggiungono condizioni prossime a quelle di equilibrio, permettendo di ottenere cristalli pi grandi

e dando il tempo necessario alle dislocazioni per ricombinarsi (pezzo con elevato addolcimento).

Ricottura

isotermica

Anche la ricottura isotermica ipercritica.

Al raffreddamento si va rapidamente al di sotto della temperatura di equilibrio e poi si

resta a temperatura costante, abbastanza vicino ad A1, per un tempo abbastanza lungo da

avere la trasformazione dellaustenite. Mantenendo il materiale ad una temperatura vicino ad A1 la velocit di nucleazione modesta: si ha quindi la formazione di una perlite

lamellare con una notevole distanza interlamellare e successivamente si ha il fenomeno

della coalescenza dei carburi. Avendo due fasi tra loro a contatto, la ferrite e la cementite,

la forma del contatto che riduce al minimo la tensione superficiale quella in cui una delle

due fasi si trovi sotto forma di sferoidi. Da ci si spiega come nella permanenza sotto A1 si

venga a segregare cementite sferoidale.

Il classico caso in cui si opera una ricottura isotermica quello dei pezzi laminati a caldo.

Nel processo i cristalli di austenite sono fortemente deformati; nel corso del

raffreddamento la ferrite segrega ai bordi dei grani di austenite, che sono prevalentemente

orientati in fibre parallelamente alla direzione di deformazione dei cristalli.

La struttura ottenuta in seguito a questa lavorazione dunque fibrosa. Riscaldando sopra

A3, il materiale ricristallizza in una struttura austenitica priva di tensioni (bassa

concentrazione di dislocazioni); operando un raffreddamento secondo un ciclo di

normalizzazione si giunge ad una struttura ferritico-perlitica con perlite lamellare.

T

Log t

A3

A1

Ms

Mf

Bs

ricottura

normalizzazione

T

Log t

A3

A1

Ms

Mf

Bs

Ricottura isotermica

a

Ma raffreddando abbastanza rapidamente, possibile saltare la trasformazione austenite-

ferrite ed avere quasi tutta perlite, con una grande distanza interlamellare, che tenderebbe a

redistribuirsi, portando alla formazione di cementite sferoidale durante la successiva

permanenza sotto A1. In questo modo si ha un materiale nelle massime condizioni di

addolcimento possibili, in quanto ho una struttura bifasica in cui la fase duttile costituita

da ferrite e la fase rinforzante (la cementite) segregata sotto forma di sferoidi, che

oppongono il minimo ostacolo al movimento delle dislocazioni. Il pezzo dopo questa

ricottura risulta pi idoneo ad operazioni di lavorazione per asportazione del truciolo o per

processi di deformazione plastica a freddo.

Entrambe queste ricotture sono dette ipercritiche poich debbo portare i pezzi sopraa

lintervallo critico [A3,A1].

Perch non conviene aumentare ancora di pi la temperatura sopra A3? Normalmente in un

acciaio le propriet sono legate alla dimensione del grano austenitico (aumenta in funzione

della temperatura e del tempo di mantenimento): il materiale mantiene memoria del grano

austenitico, infatti in un processo di ricristallizzazione o di riscaldamento da una struttura a

grano fine otterremo una nuova struttura a grano fine.

Ricottura

di

sferoidizza

zione

Si porta il materiale a temperature subcritiche provocando la minimizzazione delle tensioni

superficiali tra ferrite e cementite. Questo processo lungo e ha un costo significativo.

Si pu operare una ricottura di sferoidizzazione riscaldando sino alla temperatura di

agglomerazione degli sferoidi. Questo tipo di ricottura un esempio di ricottura subcritica,

condotta cio al di sotto della temperatura eutettoidica A1.

Mentre la ricottura di sferoidizzazione condotta a temperature vicine ad A1 per avere la

massima velocit di diffusione, nelle ricotture di lavorabilit e di stabilizzazione lavoro a

temperature molto minori di A1; queste ultime hanno due finalit diverse, la lavorabilit o

la stabilizzazione del materiale, entrambe raggiunte grazie alla scomparsa di dislocazioni.

Nella permanenza in temperatura assistiamo alla eliminazione di una certa quota di

dislocazioni, in seguito a fenomeni di riassestamento del reticolo e dei bordi di grano,

ottenendo cos un materiale a minor grado di incrudimento (e quindi pi lavorabile) e con

minori tensioni residue. Leliminazione delle tensioni residue rende il materiale pi stabile dimensionalmente.

Le lavorazioni meccaniche tendono ad asportare una quota di materiale quindi,

supponendo che nella zona di asportazione la risultante delle tensioni residue abbia un

certo segno, la parte rimanente sar sottoposta a tensioni di segno opposto non pi

equilibrate. In conseguenza di ci il pezzo subisce deformazioni che riequilibrano lo stato

tensionale interno.

Le tensioni nel materiale dipendono dalla concentrazione delle dislocazioni; se pertanto

elimino le dislocazioni si annulla lo stato tensionale nel materiale: tutte le componenti

saranno in equilibrio triassiale ed il pezzo sar stabile dal punto di vista dimensionale.

La ricottura di sferoidizzazione si rende necessaria quando le lavorazioni successive

richiedono grosse asportazioni di materiale. Inoltre operando una lavorazione meccanica

ad un certo punto sarebbe necessario interromperla, fare la ricottura e poi ricominciare la

lavorazione; essendo per i trattamenti termici e le lavorazioni meccaniche eseguite da due

fabbriche diverse, il processo non economicamente vantaggioso. Spesso si ricorre

allelettroerosione, unincisione con arco elettrico con cui si asportano blocchi enormi di materiale.

http://www.youtube.com/watch?v=7kgSCNL3SgI

Eventuali tensioni residue determinano linnesco di fratture. Con un semplice trattamento di riscaldamento si eliminerebbero queste tensioni residue.

Per la bassa temperatura alla quale opero la stabilizzazione, non ho problemi di

ossidazione o di degrado superficiale, per cui questo trattamento pu essere anche eseguito

su un prodotto semifinito (tutti gli altri trattamenti sono operati su pezzi allo stato grezzo).

Ricottura

pendolare

Per accelerare i tempi di sferoidizzazione ed eliminare la perlite, possibile effettuare la

ricottura pendolare, che consiste nelleffettuare una sferoidizzazione al 20%, riscaldare sopra A3 per tempi brevi di modo da ottenere ferrite, austenite e cementite sferoidale e

riportare alla temperatura di sferoidizzazione.

Questa ricottura definita intercritica.

Normalizz

azione

Per ottenere una ricristallizzazione con distruzione di tutte le strutture fibrose possibile

effettuare una ricottura ipercritica detta normalizzazione. Essa consiste in un riscaldamento

sopra A3 e in un raffreddamento in aria calma, onde giungere ad una struttura finale

ferritico-perlitica.

La normalizzazione destinata ad acciai a bassa temprabilit con strutture molto vicine a

quelle di equilibrio e dunque con curve CCT molto spostate verso sinistra (campo

dellaustenite molto ridotto, poco C e pochi elementi leganti), pertanto acciai sottoposti a tale trattamento non sopporteranno ulteriori lavorazioni meccaniche.

Per ottenere lo stress relieving e una certa stabilit dimensionale si pu eseguire una

ricottura di distensione (riscaldamento a temperature di climbing e ricombinazione delle

dislocazioni, riportando i materiali in condizioni di addolcimento) per fili metallici ottenuti

per trafilatura, o una ricottura di stabilizzazione su produzioni di getti o pezzi saldati i

quali hanno tensioni interne, conseguenti a fenomeni di ritiro, che possono provocare

deformazione o instabilit dimensionale.

A1

A2

T

Log t

A3

A1

Ms

Mf

Bs

perlite

Bonifica In metallurgia la bonifica linsieme della tempra (quench) e del rinvenimento (annealing o tempering)

Tempra La tempra un trattamento termico nel quale il materiale viene riscaldato a una

temperatura sopra A3 e raffreddato pi o meno rapidamente.

http://www.youtube.com/watch?v=3QOjMuI7V90

La trasformazione alla base di questo trattamento quella dellaustenite in martensite, che causa un conseguente aumento della durezza, della resistenza a trazione e diminuzione

della tenacit; il rinvenimento successivo mira a trasformare la martensite in strutture

simili alla bainite, in modo da avere alla fine il materiale che accoppia le migliori

condizioni di tenacit a valori relativamente buoni di resistenza a trazione e durezza.

Durante la trasformazione martensitica, poich il C salta in posizione interstiziale nella

lacuna tetraedrica della cella CCC creando cos una distorsione del reticolo, il volume

della martensite (temperature basse) maggiore di quello dellaustenite (temperature alte). Questo aumento di volume fa nascere tensioni interne. Infatti la superficie si riscalda e si

raffredda pi velocemente del cuore, perci si crea uno stato nel quale il cuore in

compressione e la superficie in trazione.

E possibile minimizzare le tensioni interne riducendo la differenza di temperatura tra cuore e superficie effettuando una serie di preriscaldamenti e solo successivamente

temprare.

La superficie si espande al riscaldamento per dilatazione termica, e al raffreddamento per

espansione del reticolo. La differenza sostanziale che a temperatura alta la superficie si

espande ma, poich la cella CFC, duttile e non si generano tensioni, mentre

raffreddandola si crea una fase estremamente dura ed facile che si perda la stabilit

dimensionale del pezzo con la conseguente creazione di deformazioni o nel peggiore dei

casi la rottura del pezzo.

Maggiore la complessit del pezzo da temprare, maggiore sar la deformazione.

A che velocit effettuo la tempra? Se raffreddo alla velocit la cui curva tangente al naso

della curva CCT (1) otterr 100% martensite e a cuore (3) 50% martensite, se la velocit

tangente al naso della bainite (2) (velocit critica superiore), martensite e perlite, se la

velocit ancora inferiore avr solo perlite e ferrite (4). In particolare, pi il naso della

bainite arretrato, pi sar facile ottenere una tempra sufficiente, infatti si ritiene che un

pezzo sia adeguatamente temprato se la quantit di martensite a cuore pari almeno al

50% (tempra a cuore).

T

Log t

A3

A1

Ms

Mf

Bs

1 2 3 4

Consideriamo ad esempio un provino cilindrico di raggio R = 10 mm:

Il cuore del provino, cui corrisponde una velocit di raffreddamento pi lenta subisce la

trasformazione martensitica, per cui tutto il provino ha eguali propriet meccaniche

(durezza HRC).

Si consideri ora un provino di 100 mm, le curve di raffreddamento avranno quindi un

diverso andamento dalle precedenti:

Il cuore del pezzo non subir che la trasformazione perlitica, per cui le propriet

meccaniche di superficie saranno differenti ci quelle a cuore, ad esempio la durezza sar

elevata presso la superficie e progressivamente diminuir andando verso il cuore.

Con un provino di raggio 1000 mm le curve di raffreddamento si sposteranno

ulteriormente verso destra e verso lalto:

HRC

1 2 3 4

T

Log t

T

Log t

HRC

1

2

3

4

Si nota che labbassamento di durezza, tra un provino di raggio 100 mm e uno di 1000 mm, sia ha sulla superficie, si pu quindi affermare che la superficie di questultimo caso non avr preso tempra.

Il raffreddamento effettuato con un mezzo temprante pi o meno drastico: pi drastico

pi la curva del raffreddamento spostata a sinistra e pi ci sar sfalsamento tra la

trasformazione in superficie e a cuore.

Per questo, per ogni acciaio, necessario individuare il mezzo temprante che garantisca

leffetto desiderato e minimizzi lo sfalsamento; quindi avremo pi o meno tensioni a seconda che il mezzo temprante sia pi o meno drastico.

Esistono quattro mezzi tempranti:

Acqua (basso costo, molto drastico, e con un elevato calore di evaporazione)

Olio, miscele di idrocarburi (elevato peso molecolare e bassa tensione di vapore)

Aria (curve CCT molto spostate verso destra per leghe autotempranti)

Sali fusi, gas inerti sotto pressione

T

Log t

HRC

1

2

3

4

Diametro

critico e

drasticit

di tempra

Nei casi che abbiamo preso in considerazione, abbiamo mantenuto costante la

composizione del pezzo, la temperatura di austenitizzazione la medesima e tutti i pezzi

sono stati temprati con lo stesso mezzo di raffreddamento. Vediamo ora cosa accade se

facciamo variare la drasticit del mezzo temprante

Si osserva dalla figura che, se aumento anche di poco la dimensione del provino per la

tempra in olio, arrivo molto in fretta alla situazione in cui il diametro del provino

praticamente coincide con la zona non temprata; si passa in pratica da una situazione con il

provino a tutta tempra ad una situazione con il provino non temprato (in realt non esiste

provino in cui vi sia una zona che non abbia preso tempra: la superficie si temprer sempre

ma di uno spessore trascurabile). In acqua lo stesso provino presenta una zona non

temprata molto ridotta rispetto al diametro del provino, allaumentare di questultimo. Lacqua dunque un mezzo temprante molto pi drastico dellolio. Riportiamo ora in un diagramma questi risultati: in ascissa poniamo il diametro del tondo

ed in ordinata il rapporto tra il diametro della zona non temprata ed il diametro del

provino; quando questo rapporto vale 1 il materiale non ha preso tempra, quando vale 0 il

provino a tutta tempra. Il diametro per cui il provino a tutta tempra, relativamente ad un

certo mezzo temprante, si dice diametro critico

Per convenzione, il diametro critico quello in cui il 50% del centro del provino

costituito da martensite. Il diametro critico per il raffreddamento di un acciaio 35NiCr5

32 mm in olio, e 47 mm in acqua.

Da cosa dipende la drasticit del mezzo temprante? Essa funzione del coefficiente di

scambio termico tra pezzo e mezzo temprante, dipende dalla capacit termica del mezzo

temprante in confronto a quella del pezzo, d

Dispense 2010 Materiali Metallici

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