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La tempra dell'acciaio è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento di quest'ultimo al di sopra della temperatura delle trasformazioni di fase, nel mantenimento a questa temperatura per completare tutte le trasformazioni di fase e nel raffreddamento ad alta velocità.
Nel trattamento di tempra, oltre al fattore velocità di raffreddamento, un ruolo molto importante lo hanno anche gli elementi di lega: il nichel, il cromo, il molibdeno, il silicio, il tungsteno, il vanadio.
Questo procedimento viene eseguito allo scopo di ottenere le proprietà fisico-chimiche desiderate: elevata durezza o resistenza all'abrasione.
La temperatura di riscaldamento per la tempra viene scelta in funzione della necessità di mettere in soluzione i componenti.
Il raffreddamento viene effettuato a una velocità superiore alla velocità critica di tempra dell'acciaio in questione. Per ottenere questa struttura vengono temprati acciai al carbonio e acciai legati in cui il carbonio supera lo 0,15 – 0,20%.
Il contenuto di carbonio influenza la temperatura di tempra. L'intervallo di tempo in cui il pezzo in acciaio è sottoposto alla temperatura di tempra deve essere sufficientemente lungo, per favorire la completa dissoluzione del carbonio nell'austenite.
Mezzi di raffreddamento per la tempra dell'acciaio
La tempra viene effettuata immergendo l'oggetto metallico in diversi mezzi di raffreddamento:
– acqua e soluzioni acquose contenenti sostanze attivanti (cloruro di sodio, idrossido di sodio) oppure sostanze che riducono la capacità di raffreddamento (silicati, glicerina);
– oli vegetali o minerali;
– bagni di sali o metalli fusi, portati a una temperatura prescritta;
– gas (di solito aria, eccezionalmente idrogeno).
Il mezzo viene scelto in funzione della composizione dell'acciaio. Va precisato che alcuni acciai non consentono la tempra in qualsiasi mezzo, esiste il rischio di non ottenere la durezza desiderata perché si raffreddano troppo velocemente oppure non abbastanza velocemente.
Esistono due requisiti principali che i mezzi per la tempra dell'acciaio devono soddisfare:
1. Favorire la penetrazione della tempra il più possibile in profondità all'interno del pezzo, se possibile su tutta la sua sezione.
2. Durante il processo di tempra non devono comparire tensioni interne che possano portare alla deformazione o alla fessurazione del prodotto.
Tipi di tempra degli acciai
Tempra classica: in un unico mezzo
Consiste nel raffreddamento del prodotto in un unico mezzo, che può essere acqua, olio o addirittura aria. Il pezzo riscaldato viene immerso nel mezzo di raffreddamento liquido fino al suo completo raffreddamento.
Per i pezzi in acciaio al carbonio con sezioni superiori a 5 mm, il mezzo più utilizzato è l'acqua. Mentre, per i pezzi con sezioni inferiori a 5 mm, o in acciai legati, il mezzo utilizzato è l'olio.
Svantaggi: tensioni termiche (tra zone con sezioni diverse) strutturali (la martensite ha il volume massimo).
Procedimenti speciali di tempra: per l'eliminazione (parziale) degli svantaggi della tempra classica
Tempra interrotta (2 mezzi: acqua – olio)
Per ridurre le tensioni interne si applica la tempra in due mezzi. Il pezzo viene raffreddato prima in acqua fino a 300 – 400 °C, e successivamente in olio fino alla temperatura ambiente.
Tempra a gradini (mantenimento per l'uniformazione della temperatura)
Con questo metodo, il pezzo viene raffreddato rapidamente in un bagno di sali con una temperatura leggermente superiore (di 30-50 °C) alla temperatura di trasformazione martensitica Ms, mantenendolo a questa temperatura fino all'uniformazione della temperatura in tutta la sezione del pezzo, e con il raffreddamento finale in aria.
La trasformazione martensitica avviene a una velocità lenta, in aria, il che porta a una forte riduzione delle tensioni interne nel pezzo.
Tempra isoterma (per ottenere una struttura bainitica)
L'acciaio viene mantenuto nei bagni fino al completamento della trasformazione isoterma dell'austenite.
La temperatura del bagno di sali è generalmente di 250-350 °C. Come risultato della tempra isoterma si ottiene una struttura bainitica con una durezza di 45-55 HRC, mantenendo la plasticità e la tenacità a valori elevati.
La durata del mantenimento viene stabilita con l'aiuto dei diagrammi di trasformazione isoterma dell'austenite.
Si applica ad alcuni pezzi sottili in acciai legati o in alcuni acciai per utensili.
Tempra superficiale
Solo per la parte esterna dei pezzi, che diventa dura e resistente; l'interno rimane tenace.
La temprabilità è la proprietà di un acciaio di temprarsi in profondità ed è caratterizzata da due grandezze:
1. La capacità di tempra, espressa attraverso la durezza massima che si può ottenere mediante la tempra, nel caso della lega in questione.
2. La profondità di tempra, che rappresenta la capacità del materiale di formare uno strato temprato, con struttura martensitica o semimartensitica, su una certa profondità.
La temprabilità dipende dalla composizione dell'acciaio, dalla temperatura di riscaldamento per la tempra e dal mezzo di tempra.
Una struttura di tempra ottimale è influenzata sia dai procedimenti applicati, dai mezzi di riscaldamento e raffreddamento, sia dalla durata, dalla velocità, dalla temperatura di riscaldamento e dalla velocità di raffreddamento.
La durezza più elevata dopo la tempra la ottiene l'acciaio con il più alto contenuto di carbonio.
Poiché l'acciaio temprato diventa fragile, è necessario applicare il trattamento di rinvenimento, altrimenti si ottiene un pezzo in acciaio duro, ma allo stesso tempo molto fragile.
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