Acciai che si temprano da sé: li conosci?
34NiCrMo16, ti dice qualcosa? Ebbene sì. Dedichiamo un po’ d’attenzione anche a lui. È il protagonista se si tratta di ingranaggi, semiassi, alberi di torsione.
Caratterizzato da minime deformazioni di tempra; lo si utilizza allo stato temprato e rinvenuto a 200 °C per quei particolari dove si richiede un’elevatissima durezza (R=1720÷1960 N/mm2) e resistenza a fatica, quali per esempio ingranaggi, semiassi, alberi di torsione.
Lo hai riconosciuto (ma so che bastava il primo accenno)!
Lui è il più noto rappresentante della famiglia di quegli acciai che si temprano… da sé!
Calma o forzata? Per temprarsi a loro basta l’aria!
Si temprano da soli, o per meglio dire, alcuni acciai si temprano con il semplice mantenimento in aria: gli acciai autotempranti rappresentano una sottocategoria del gruppo degli acciai da bonifica, nel quale figurano gli acciai da costruzione destinati al trattamento di bonifica (tempra seguita da rinvenimento intorno a 600° C).
La loro temprabilità è talmente elevata da superare la velocità critica di tempra semplicemente con un raffreddamento in aria calma o al più aria forzata. Hanno una tale velocità di raffreddamento alta che assumono una struttura di tempra (martensitica) per semplice raffreddamento. Il mantenimento in aria: è sufficiente nel loro caso a ottenere una struttura martensitica, visti:
- l’alto tenore di carbonio,
- l’elevata percentuale di cromo e nichel,
- la discreta percentuale di molibdeno.
Durante il raffreddamento in aria, le curve CCT, che sono molto spostate a destra e in basso, vanno a intersecare come prima linea quella della martensite start. Le curve sono spostate proprio a causa della significativa presenza di elementi pregiati in lega, quali il nichel, il cromo, il molibdeno e il tungsteno, che spostano nettamente verso destra le curve anisoterme e aumentano la temprabilità dell’acciaio.
Per la norma, la somma tra il tenore di carbonio, quello di cromo e quello di nichel dev’essere compresa tra il 5% e il 7%. Un limite tanto stretto si rende necessario perché la ricottura deve poter garantire di avere ferrite e perlite ed evitare quindi di avere strutture martensitiche anche dopo trattamento di semplice ricottura che comporterebbero un peggioramento della lavorabilità.
Il ciclo tecnologico, per questi acciai, parte con una ricottura completa e non con una normalizzazione. Per avere una resistenza elevata, il rinvenimento viene eseguito a una temperatura pari a 180-200 °C, ottengono in tale modo delle resistenze elevatissime (2000MPa) con una tenacità soddisfacente.
Per essere precisi fino in fondo, mentre ottime caratteristiche di resistenza e tenacità si raggiungano con rinvenimento intorno ai 200° C, si riscontra, intorno ai 400°C, la cosiddetta fragilità al rinvenimento, correlata a fenomeni di precipitazione di carburi.
Il caso degli acciai Mn-Ni
Sono autotempranti anche gli acciai al manganese e al nichel corrispondenti a punti della zona a struttura perlitica dei rispettivi diagrammi di Guillet, vicini alla zona di transizione con quelli a struttura martensitica, ma queste leghe non hanno applicazioni pratiche perché troppo fragili.
Interessanti applicazioni hanno invece gli acciai al cromo-nichel con C = 0,3% – 0,5%; Ni = 3% – 6%; Cr = l% – 2%, e somma dei tre elementi almeno uguale a 5%. Tali materiali dopo ricottura presentano struttura perlitica, assumono facilmente struttura martensitica con semplice raffreddamento all’aria e hanno sia elevata durezza sia duttilità e tenacità soddisfacenti: possono rappresentare una valida alternativa ad acciai cementati o nitrurati..
Autotempranti tra luci ed ombre
Gli autotempranti sono, in assoluto, gli acciai più performanti sotto il profilo delle caratteristiche meccaniche, specialmente per quanto riguardo la tenacità, perché hanno un Rm pari a 2000 MPa. La tenacità soddisfacente anche in virtù del raffreddamento meno drastico in aria. E non basta. Aggiungo una bella schiera di altri vanti:
- indeformabilità alla tempra, permettendo al pezzo di essere temprato successivamente alla lavorazione senza comprometterne la forma;
- semplificazione dei cicli di lavorazione con la soppressione di qualsiasi operazione di indurimento superficiale;
- assenza dello strato superficiale fragile la cui presenza, con la nitrurazione, impedisce di elevare la pressione unitaria, per pericolo di sfondamento dello strato stesso;
- resistenza elevata del pezzo, molto superiore a quelle ottenibili nel nucleo sia con gli acciai da cementazione sia con quelli da nitrurazione.
- la tempra non richiede vasche di raffreddamento e in presenza di aria calma risulta sufficientemente omogenea, dunque ideale per componenti di grosse dimensioni..
Questi acciai risultano però essere i più costosi, sono utilizzati in utensileria e per realizzare componenti che hanno dimensioni elevate. Il loro impiego deve dunque limitarsi alla costruzione di particolari meccanici per cui siano richiesti elevatissimi carichi di rottura e buoni valori di tenacità.
Se si vuole modificare solo le caratteristiche meccaniche della parte superficiale è necessario usare dei trattamenti termico-chimici di diffusione come la cementazione e la nitrurazione: sarà dunque necessario fornire temperatura affinché una specie chimica che possa diffondere verso l’interno sfruttando tempo e temperatura così da rendere la superficie del pezzo più resistente.
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Gli acciai autotempranti sono acciai che, in pezzi di piccolo spessore, assumono la struttura martensitica per semplice raffreddamento in aria calma (normalizzazione). Offrono inoltre la possibilità di temprare, sia pure in acqua, pezzi di spessore molto grande.
Si prestano in manieraottimale alla costruzione di ingranaggi di imponenti dimensioni e di grandi stampi per le lavorazioni meccaniche. In genere, sono infatti impiegati nella costruzione di organi meccanici sottoposti a carichi statici e dinamici; trovano largo impiego nelle industrie meccaniche, per alberi di qualsiasi tipo, semiassi, aste, bielle, organi di collegamento, leve, steli per magli, colonne presse.
Sembrerebbe tutto. Potrei considerare esaurito l’argomento. Ma io mi sento sempre di aggiungere la mia. Gli autotempranti non sono una bella favola e non fanno esattamente tutto da soli. Con il solo mantenimento in aria si arriva alla struttura martensitica solo se i pezzi non sono troppo grandi e solo per quanto riguarda il superamento del naso perlitico.
Lo spegnimento in aria di pezzi di grosse dimensioni, infatti, non è sempre presupposto sufficiente di una buona trasformazione martensitica dell’austenite che si completa quasi totalmente in campo bainitico, con formazione di strutture le cui caratteristiche di tenacità e resistenza dopo rinvenimento sono generalmente mediocri.
Nel caso degli acciai da cementazione o autotempranti, per diminuire e auspicabilmente annullare le tensioni residue causate dalla tempra pur mantenendo elevati valori di durezza, si ricorre al trattamento di distensione che consiste in un riscaldo a temperature inferiori ai 250 °C. In questo modo non si hanno apprezzabili modifiche strutturali.
Ripeto sempre che nel nostro mondo non ci si può affidare al caso. E neppure tanto alle assicurazioni generiche di produttori e compagnia. Non quando l’acciaio è da comprare, e non quando è ormai tempo di utilizzarlo. Fare il punto prima di partire verso la produzione a mio parere conviene sempre, e in casi come quelli che ho fin qui accennato è quanto mai raccomandabile che ‘teoria’ ed ‘esperienza’ si incontrino in uno stesso tavolo.