Trattamenti Termici: Tecniche, Materiali e Applicazioni

Introduzione ai Trattamenti Termici

I trattamenti termici sono processi industriali fondamentali per modificare le proprietà meccaniche e strutturali dei metalli. Grazie a queste tecniche, è possibile aumentare la resistenza, la durezza, la tenacità e migliorare la lavorabilità dei materiali. In questa guida completa, analizzeremo i principali trattamenti termici, le loro caratteristiche tecniche e le applicazioni più comuni, includendo i codici ISO degli acciai più adatti e i parametri di trattamento.

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Tipologie di Trattamenti Termici

1. Tempra

La tempra è un processo che prevede il riscaldamento del metallo a una temperatura elevata seguito da un rapido raffreddamento in acqua, olio o aria. Questo trattamento induce un indurimento del materiale, aumentando la resistenza all’usura e alla deformazione.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 800-900°C per acciai al carbonio
• Tempo di mantenimento: 30-90 minuti a seconda della sezione del pezzo
• Mezzo di raffreddamento: acqua, olio o aria

Materiali adatti:

• Acciai al carbonio (ISO 683-1, ad es. C45, C60)
• Acciai legati (ISO 683-2, ad es. 42CrMo4, 34CrNiMo6, 36SMnPb14)

La tempra è un trattamento termico che conferisce ai metalli maggiore durezza e resistenza meccanica. Non tutti i metalli sono idonei a questo processo, ma i più comuni includono:

Acciai (leghe ferro-carbonio)

• Acciai al carbonio (C45, C60, C70, ecc.)
• Acciai legati (contengono elementi come cromo, molibdeno, nichel, vanadio)
  • Acciai da costruzione (42CrMo4, 34CrNiMo6)
  • Acciai da utensili (D2, O1, A2, H13)
  • Acciai inossidabili martensitici (AISI 410, AISI 420, AISI 440)

Ghise

• Ghisa bianca (alto contenuto di carbonio e cementite)
• Ghisa malleabile (può subire tempra per migliorarne le proprietà meccaniche)

Leghe di rame e bronzi

• Bronzo alluminio (CuAl10Ni5Fe4)
• Bronzo al berillio (CuBe2) → tempra per precipitazione

Leghe di titanio

• Titanio e leghe di titanio (Ti-6Al-4V) → tempra per invecchiamento

Leghe di nichel

• Inconel (718, 625) → invecchiamento e tempra per indurimento

La tempra viene seguita spesso da un trattamento di rinvenimento per ridurre la fragilità e migliorare la tenacità.

2. Tempra ad Induzione

Utilizza campi elettromagnetici ad alta frequenza per riscaldare localmente il metallo, seguito da un raffreddamento rapido.

Parametri del ciclo:

• Frequenza: 1-500 kHz a seconda della profondità di tempra
• Temperatura: 850-950°C
• Tempo di mantenimento: pochi secondi
• Raffreddamento: acqua o olio

Materiali adatti:

• Acciai da tempra superficiale (ISO 683-3, ad es. C60E, 41Cr4, ETG 88/100)

La tempra a induzione è un trattamento termico applicato principalmente a metalli ferrosi per aumentarne la durezza superficiale. I metalli più idonei a questo processo sono quelli con un contenuto adeguato di carbonio e leghe che favoriscano la trasformazione martensitica. Ecco alcuni esempi:

Acciai al carbonio (contenuto di C ≥ 0,3% per una buona tempra)

• C45 (1.0503) – Acciaio al carbonio medio, ampiamente utilizzato per tempra a induzione.
• C60 (1.0601) – Maggiore durezza e resistenza all’usura rispetto al C45.
• C35 (1.0501) – Minore durezza rispetto al C45, ma ancora idoneo per la tempra superficiale.

Acciai legati (aggiunta di elementi per migliorare la risposta alla tempra)

• 42CrMo4 (1.7225) – Acciaio legato al cromo-molibdeno, elevata durezza e tenacità.
• 34CrNiMo6 (1.6582) – Acciaio legato con nichel, cromo e molibdeno, ottima resistenza agli urti.
• 51CrV4 (1.8159) – Acciaio con cromo e vanadio, elevata resistenza all’usura.
• 16MnCr5 (1.7131) / 20MnCr5 (1.7147) – Acciai cementati con buona temprabilità superficiale.

Ghise idonee alla tempra a induzione

• Ghisa sferoidale (GJS 700-2, GJS 800-2, ecc.) – Alcuni tipi di ghisa sferoidale con un’adeguata percentuale di perlite possono essere sottoposti a tempra a induzione per migliorarne la resistenza all’usura.

3. Rinvenimento

Il rinvenimento riduce la fragilità e migliora la tenacità dopo la tempra.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 150-700°C a seconda della durezza desiderata
• Tempo di mantenimento: 1-3 ore
• Raffreddamento: aria

Materiali adatti:

• Acciai per utensili (ISO 4957, ad es. X153CrMoV12, X40CrMoV5-1)

4. Ricottura

Migliora la lavorabilità e riduce le tensioni interne.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 600-950°C
• Tempo di mantenimento: 2-6 ore
• Raffreddamento: molto lento, spesso in forno

Materiali adatti:

• Acciai inossidabili (ISO 15510, ad es. X5CrNi18-10, X2CrNiMo17-12-2)

5. Normalizzazione

Affina la struttura del metallo e migliora l’omogeneità delle proprietà meccaniche.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 850-950°C
• Tempo di mantenimento: 1-2 ore
• Raffreddamento: in aria calma

Materiali adatti:

• Acciai strutturali (ISO 683-1, ad es. S355J2, S275JR)

6. Cementazione

Aumenta la durezza superficiale introducendo carbonio.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 850-950°C
• Tempo di mantenimento: 2-8 ore
• Raffreddamento: tempra in olio o acqua

Materiali adatti:

• Acciai da cementazione (ISO 683-3, ad es. 16MnCr5, 20MnCr5)

La cementazione è un trattamento termico che aumenta la durezza superficiale di un metallo, lasciando il nucleo più tenace. I metalli idonei a questo trattamento sono generalmente acciai a basso tenore di carbonio e leghe specifiche. Ecco alcuni esempi:

Acciai al carbonio per cementazione

• C10 (AISI 1010)
• C15 (AISI 1015)
• C20 (AISI 1020)

Acciai legati per cementazione

• 16MnCr5 (AISI 5115) → Acciaio con manganese e cromo, buona temprabilità
• 20MnCr5 (AISI 5120) → Simile al precedente ma con maggiore contenuto di carbonio
• 18NiCrMo5 (AISI 4820) → Acciaio con nichel, cromo e molibdeno, ottima resistenza a fatica
• 17CrNiMo6 (AISI 4320) → Resistenza elevata per applicazioni meccaniche gravose
• 20NiCrMo2-2 (AISI 8620) → Diffuso per ingranaggi e componenti sollecitati

7. Nitrurazione

Introduzione di azoto per aumentare la durezza senza necessità di tempra.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 480-580°C
• Tempo di mantenimento: 10-90 ore
• Raffreddamento: lento in aria

Materiali adatti:

• Acciai nitrurabili (ISO 683-5, ad es. 31CrMoV9, 42CrMo4)

La nitrurazione è un trattamento termochimico che arricchisce la superficie dei metalli con azoto per migliorarne la durezza, la resistenza all’usura e alla fatica. Questo processo è particolarmente efficace su alcune leghe di acciaio e metalli contenenti elementi che formano nitruri stabili.

Metalli e leghe idonee alla nitrurazione

1. Acciai per nitrurazione (acciai legati)

Questi acciai contengono elementi come alluminio (Al), cromo (Cr), molibdeno (Mo) e vanadio (V), che favoriscono la formazione di nitruri:

• Acciaio 31CrMoV9 (1.8519)
• Acciaio 34CrAlMo5 (1.8507)
• Acciaio 41CrAlMo7 (1.8509)
• Acciaio 38CrMoAl (1.8508)

2. Acciai inossidabili

Alcuni acciai inossidabili possono essere nitrurati, anche se la presenza di cromo in alte quantità può ridurre la diffusione dell’azoto:

• AISI 410 (martensitico)
• AISI 420 (martensitico)
• AISI 304 e 316 (austenitici, solo nitrurazione a bassa temperatura per evitare la perdita di resistenza alla corrosione)

3. Acciai da costruzione e da bonifica

Se opportunamente trattati termicamente prima della nitrurazione:

• 42CrMo4 (1.7225)
• 40CrNiMo6 (1.6565)
• 34CrNiMo6 (1.6582)

4. Ghise

Alcune ghise possono essere nitrurate, soprattutto quelle con elevato contenuto di nichel e cromo:

• Ghisa sferoidale (GJS 600-3, GJS 700-2)
• Ghisa legata al nichel (Ni-Resist)

5. Titanio e leghe di titanio

Il titanio reagisce molto bene con l’azoto, formando TiN superficiale molto duro:

• Titanio puro (Grade 2, Grade 5)
• Leghe di titanio come Ti-6Al-4V

6. Leghe di alluminio (limitato)

Le leghe di alluminio possono essere nitrurate, ma il miglioramento della durezza è modesto rispetto agli acciai:

• Al 7075
• Al 2024

Conclusione

Gli acciai legati con elementi formatori di nitruri (Al, Cr, Mo, V) sono i più adatti alla nitrurazione, seguiti da alcuni acciai inossidabili, titanio e ghise speciali.

8. Carbonitrurazione

Processo simile alla cementazione, con l’aggiunta di azoto per una maggiore durezza superficiale a temperature inferiori.

Parametri del ciclo:

• Temperatura: 750-900°C
• Tempo di mantenimento: 1-6 ore
• Raffreddamento: tempra in olio

Materiali adatti:

• Acciai al carbonio e bassolegati (ISO 683-3, ad es. C15, 11SMnPb37)

La carbonitrurazione è un trattamento termochimico che arricchisce la superficie dell’acciaio con carbonio e azoto, migliorando la durezza, la resistenza all’usura e la tenacità. Questo trattamento è particolarmente adatto per acciai a basso tenore di carbonio. Ecco un elenco di metalli e leghe idonee alla carbonitrurazione:

1. Acciai al Carbonio a basso tenore (C ≤ 0,3%)

• C10 (AISI 1010)
• C15 (AISI 1015)
• C20 (AISI 1020)

2. Acciai Legati per Cementazione

• 16MnCr5 (1.7131)
• 20MnCr5 (1.7147)
• 17Cr3 (1.7016)
• 18CrNi8 (1.5920)

3. Acciai da Bonifica (adatti a carbonitrurazione leggera)

• 42CrMo4 (1.7225, AISI 4140)
• 34CrNiMo6 (1.6582)

4. Acciai Inossidabili con basso contenuto di cromo e nichel (alcuni possono essere trattati con tecniche speciali di carbonitrurazione in plasma o gas ad alta temperatura)

• AISI 410
• AISI 420

Gli acciai più utilizzati per la carbonitrurazione sono quelli a basso contenuto di carbonio, perché permettono di ottenere un nucleo tenace con una superficie dura e resistente all’usura.

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Conclusione

I trattamenti termici sono essenziali per migliorare le proprietà dei metalli e adattarli alle esigenze specifiche di diversi settori industriali. Ogni processo ha caratteristiche uniche, che lo rendono ideale per determinati usi. Se hai bisogno di trattamenti termici personalizzati per i tuoi progetti, contatta esperti del settore per una consulenza specifica.