Modificare la struttura interna dell’acciaio con il patentamento
Tra i trattamenti termici e superficiali per il filo, compaiono la ricottura, la zincatura, la fosfatazione e la trafilatura ad olio, e il patentamento.
Si tratta di un trattamento termico il cui fine consiste nel modificare la struttura interna del materiale. A cosa serve? Si esegue per conferire al materiale acciaio l’idoneità a particolari impieghi: per esempio, ai fili di acciaio cui si richiedono speciali caratteristiche di resistenza.
Questo spiega la ragione per cui parliamo di un trattamento che si vede usare spesso nella preparazione di fili e nastri d’acciaio
Una forma di “tempra blanda”
Il trattamento termico di patentamento appartiene alla categoria di quelle tempre che, essendo indirizzate ad esigenze particolari , si definiscono “tempre speciali”.
Tecnicamente, si tratta di una “tempra attenuata”, un trattamento isotermico riservato agli acciai quasi eutettoidici (dal C70 al C120). A questo tipo di materiale conferisce ai quali conferisce – nonostante la discreta durezza – significativa duttilità.
La caratteristica della duttilità viene sfruttata per la trafilatura o la laminazione a freddo con elevatissimo rapporto di riduzione, senza necessità di ricotture intermedie.
In termini più concreti, l’effettuazione del patentamento consente di passare ad ulteriori lavorazioni a freddo, proprio come la la trafilatura. Questo perché al termine del trattamento di patentamento si ottiene perlite fine, che appunto si presta alla trafilatura. Ma, al di là delle diverse definizioni, in cosa consiste il patentamento?
Come si effettua il patentamento? Ecco i due step fondamentali
In estrema sintesi, il patentamento consiste nel far passare, con movimento continuo, un filo di acciaio armonico all’interno di un bagno termale di piombo fuso a 500 °C.
Il patentamento è un trattamento termico ce si articola in due precise e distinte fasi. Eccole:
- un riscaldamento a temperatura di austenitizzazione (circa 900 ºC ca.);
- un raffreddamento molto veloce alla temperatura di trasformazione, che segue immediatamente la fase a), per evitare qualsiasi precipitazione di ferrite negli acciai ipoeutettoidici o di cementite secondaria in quelli ipereutettodici. Il raffreddamento deve avvenire all’interno di un bagno di piombo o di sali fusi (a una temperatura compresa tra i 450 e i 550 ºC), oppure all’aria.
La temperatura di trasformazione isotermica è poco inferiore al naso perlitico (480- 500 °C). L’obiettivo è ottenere una struttura ancora perlitica, ma tanto fine da non essere più risolvibile al microscopio ottico. Come se fosse il risultato di un’esplosione, la cementite appare finemente dispersa nella matrice ferritica, sotto forma di lamelle cortissime non orientate.
Con trattamenti isotermici industriali è purtroppo praticamente impossibile ottenere questa struttura. Non riuscendo mai a raffreddare l’acciaio con sufficiente rapidità alla corretta temperatura di trasformazione, si opta per una struttura perlitico-lamellare finissima, con lamelle ancora orientate.
La distanza interlamellare dev’essere la minore possibile. Tanto più bassa è la temperatura di trasformazione, tanto più breve sarà la distanza interlamellare, con l’effetto di innalzare la durezza e le caratteristiche tensili. A questo punto, la struttura è caratterizzata da una certa durezza ma ancora possiede una spiccata duttilità.
Diverse tipologie di patentamento
Il trattamento termico di patentamento, o, come abbiamo visto, di austenitizzazione cui immediatamente segue un raffreddamento, mira a produrre strutture favorevoli ad una successiva trafilatura o laminazione. A disposizione di chi vuole affidarsi a questo tipo di procedura, muovendosi con precisi parametri di velocità e di avanzamento in continuo e il successivo spegnimento controllato, ci sono due opzioni:
- patentamento in continuo
In questo caso, le operazioni di riscaldo e di raffreddamento si succedono senza soluzione di continuità;
- patentamento per immersione
In questo caso, mentre il trattamento termico è in corso, l materiale resta avvolto in matasse, fasci o rotoli. Come mezzi di raffreddamento si adoperano comunemente: aria, bagno di piombo, bagno di sali e letto fluido.
Patentamento e fili d’acciaio
Destinato agli acciai ricchi di carbonio, cui conferisce eccezionale duttilità accoppiata a una discreta durezza, il patentamento si effettua in modo continuo su fili di acciaio destinati alla costruzione di funi metalliche, molle e per la laminazione a freddo con elevati rapporti di riduzione, senza necessità di ricotture intermedie.
Si applica tipicamente ad un particolare tipo di acciaio per molle, detto “armonico” e usato specialmente per corde di strumenti musicali, in particolare pianoforti, tenditori e altre applicazioni per cui siano indispensabili alte doti di resistenza a trazione
L’acciaio armonico ha composizione media (carbonio 0,80-0,85%; silicio 0,2-0,4%; manganese 0,15-0,20%). Vanta un elevatissimo limite di snervamentoe viene sottoposto al trattamento termico di bonifica isotermica (patentamento) prima di essere trafilato a freddo.
Industrialmente, il patentamento è eseguito su vergella d’acciaio al carbonio C80-C110 con spegnimento continuo in bagni termali (bagni di sale o di piombo fuso) mantenuti alla corretta temperatura. I moderni treni di laminazione della vergella usano anche sistemi di raffreddamento in continuo con aria forzata ed aria con acqua nebulizzata, ma i risultati che si ottengono sono generalmente inferiori a quelli del patentamento in bagni termali.
Controllo del Tempo
Quattro buoni motivi per scegliere il patentamento
Trattamento termico indirizzato all’acciaio ricco di carbonio, il patentamento può essere effettuato prima della trafilatura, o tra fasi consecutive di trafilatura. Si prefigge diversi obiettivi:
▲ eliminare tensioni nel materiale e migliorarne la struttura;
▲ conferire al filo una struttura particolarmente favorevole in quanto attua la trasformazione della struttura dell’acciaio da austenite a perlite finissima (sorbite);
▲ elevata resistenza e tenacità del filo di acciaio ad alto carbonio;
▲ prestazioni superiori garantire per i fili trattati, soprattutto quelli sottilissimi.
È un dato di fatto che il filo di acciaio patentato è uno dei prodotti semilavorati maggiormente utilizzato della metallurgia. Recentemente, ai tradizionali usi di questo tipo di filo nella produzione di funi, cavi, molle e steel-cord, si assiste alla sua veloce e apprezzata introduzione nel mondo dei manufatti plastici e compositi, dove svolge benissimo la funzione di rinforzo.
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In veste di esperto di trattamenti termici, core business di SteelBetter, raccomanderei l’effettuazione di questo trattamento se l’obiettivo è l’omogeneità strutturale. Un patentamento eseguito in modo corretto darà certamente una buona struttura omogenea di tipo perlitico fine.
Inutile nascondere, però, che sul risultato incide moltissimo il rispetto dei parametri di processo, su cui possono (imponderabilmente) andare ad incidere quelle “antipatiche” variabili impossibili da disattivare (altrimenti, per dare il miglior risultato al cliente avremmo provveduto a “disattivarle” da un sacco di tempo!). Parlo di
▲ temperatura di trasformazione di fase;
▲ velocità di raffreddamento;
▲ dimensioni del grano della struttura di partenza.
Sono fattori talmente determinanti al fine di quello che ottieni dal trattamento che vale la pena di farlo eseguire a chi se ne intende davvero. La casistica che può dar luogo a qualche al di pancia è ampia!
Lungi da me il voler fare terrorismo, mi limito a qualche “quadretto”: se ad esempio raffreddo troppo lentamente, oppure innalzando eccessivamente la temperatura di trasformazione, accanto alla perlite si ottiene della ferrite indesiderata. La ferrite comporta un abbassamento della resistenza agli sforzi… Proporzionalmente all’abbassarsi della temperatura di trasformazione di fase nel campo di formazione della perlite, la microstruttura risultante sarà fine: diminuisce l’interdistanza delle lamelle di cementite, e così aumenta la resistenza…
In questo tipo di trattamento è imprescindibile ottenere perlite, visto che la resistenza dell’acciaio con struttura perlitica è proporzionale all’inverso della radice quadrata dell’interdistanza lamellare. Per me, che mi occupo di trattamento termico da una vita, sono cose abbastanza scontate.
A spalleggiarmi houn’azienda in cui è chiara per tutti l’importanza di ogni fase del trattamento. Mi piace sempre offrire, a chi sta per muoversi all’interno di una commessa con scelte importanti da fare, un’occasione di confronto. Sono sempre disponibile e ho la buona abitudine, come consulente, di rispondere alle telefonate come alle email.
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