Trattamenti termici negli acciai

  • Ciclo produttivo degli acciai

  • Laminazione a caldo

  • Laminazione a freddo

  • Colata in continuo

  • Trattamenti termici, meccanici e superficiali

ha lo scopo di ottenere una composizione e una microstruttura omogenea e di rendere una prima deformazione simile alla forma finale

  • lingotti
  • Colata in continuo in lingottiera
  • Forgiatura
  • deformazione a caldo per ottenere una forma di parallelepipedo
  • componenti ferroviari /settore civile
  • Laminazione a caldo
  • Raffreddamento
  • Colata in continuo
  • telai automobilistici
  • Laminazione a caldo
  • Laminazione a freddo
  • Colata in continuo
  • Ricottura
  • Imbutitura
  • sostituita da Tempra intercritica per acciai dual phase
  • sostituita da saldatura per acciai dual phase
  • componenti meccanici
  • Forgiatura
  • Bonifica
  • Laminazione a caldo
  • Lavorazione meccanica
  • Colata in continuo
  • acciai per utensili
  • ricottura
  • Lavorazione meccanica
  • Forgiatura
  • Bonifica
  • Laminazione a caldo
  • Rettifica/trattamenti superficiali
  • Colata in continuo

  • Ricottura

  • Ricottura subcritica

  • riscaldamento senza trasformazione di fase ad una T inferiore a quella del punto eutettoidico (723°C)
  • deformazione plastica a freddo -> aumento densità dislocazioni per incrudimento e aumento tensioni residue

3 fasi

  • Recovery -> diminuzione della densità di dislocazioni e conseguente diminuzione energia libera del componente
  • Ricristallizzazione -> formazione di cristalli nuovi a discapito di quelli vecchi, ricchi di difetti e deformati lungo un'unica direzione, anisotropi per disomogeneità della struttura. Diminuzione energia libera per diminuzione difetti reticolari
  • Crescita grani -> crescita grani formati in precedenza, diminuzione energia libera per diminuzione bordi di grano.

  • Ricottura ipercritica/completa

  • riscaldamento a temperatura superiore a quella eutettoidica (723°) + 50°C, con lo scopo di ottenere la completa struttura austenitica
  • raffreddamento lento di equilibrio al fine di avere una miscela di perlite lamellare e ferrite
  • ha come scopo quello di eliminare tensioni residue e si esegue prima di lavorazioni meccaniche per trattamenti superficiali (bonifica/cementazione)
  • mantenimento temperatura raggiunta, con lo scopo di permettere a tutta la struttura di austenetizzarsi completamente
  • la struttura perlitica è caratterizzata da una dolcezza e una duttilità notevoli, buona lavorabilità plastica a freddo.

  • Normalizzazione

  • riscaldamento sino a T eutettoidica + 70°C
  • raffreddamento non controllato in aria
  • risultato funzione della geometria del pezzo e ambiente di raffreddamento
  • raffreddamento lento se ho volume di scambio calore elevato e raffreddamento isolato
  • microstruttura a grana fine (perlite + ferrite)
  • assenza di tensioni residue
  • aumentata deformabilità
  • mantenimento T per tempo sufficiente

  • Bonifica

  • Tempra
  • riscaldamento sino a completa austenizzazione
  • raffreddamento rapido per ottenere martensite
  • Rinvenimento
  • riscaldamento della martensite
  • raffreddamento non controllato
  • è un processo che permette di ottenere martensite rinvenuta, con varietà di microstruttura cristallina funzione di presenza di elementi di lega e temperatura di rinvenimento (fino a 650°)
  • il rinvenimento ha come scopo quello di aumentare le proprietà meccaniche della martensite
  • Austenite -> T<250° precipitazione carburi eta e impoverimento di C in martensite
    -> T 200/300 precipitazione cementite
    ->T 230/300 austenite residua si trasforma in bainite
    ->T350 recovery matrice metallica ferritica -> tenacità
    ->T>600 ricristallizzazione
  • ottengo martensite con grani fini di cementite dispersi in ferrite
  • eliminazione tensioni residue tanto più notevole quanto è elevata la T di rinvenimento
  • autorinvenimento,fenomeni di recovery già durante la tempra.
  • C fa da rafforzamento per martensite, Si inibisce formazione di cementite e aumenta T rinvenimento e in generale permettono di avere meno austenite residua.
  • Possibilità di tempra sottozero, riservata per acciai martensitici, con poca austenite residua.
    Posso ottenere tempra completa se utilizzo una Traffreddamento tale da non avere trasformazione di austenite in perlite e bainite

  • Tempra

  • ottenimento di martensite rinvenuta, con buone proprietà meccaniche.
  • Riscaldamento a T di completa austenizzazione
  • Mantenimento di tale T per tempo sufficiente ad avere struttura omogenea
  • raffreddamento rapido (es. acqua) per ottenere martensite.
  • la velocità di raffreddamento deve raggiungere un valore tale, detto critico, tale che non avvenga la trasformazione dell'austenite in perlite/bainite.

Diametro ideale critico

  • una prima misura della temprabilità può essere ottenuta prendendo una serie di barre dello stesso materiale e dal diametro noto e decrescente, eseguendo su di esse lo stesso tipo di processo di tempra, studiandone poi la microstruttura ottenuta
  • le barre dalle dimensioni maggiori avranno uno strato superficiale di martensite, con un interno di perlite e ferrite;
  • le barre dalle dimensioni minori avranno uno strato di martensite più spesso e un cuore di perlite e ferrite meno spesso, con uno strato di bainite tra loro.
  • al decrescere del diametro, aumenterà lo strato di martensite e diminuirà quello di fasi diverse, fino al raggiungimento del diametro critico di tempra ovvero quando il cuore è 50% di martensite.
  • per diametri minori di questo, avremmo una struttura completamente martensitica.
  • il diametro critico di tempra è funzione di una serie di fattori:
    • mezzo di raffreddamento
    • composizione dell'acciaio
    • conduttività e conducibilità dell'acciaio
    • dimensione del grano austenitico
      #
  • un mezzo temprante è più drastico se comporta un più rapido raffreddamento di tempra
  • si definisce mezzo di tempra ideale un mezzo teorico presenti un coefficiente di scambio termico laminare infinito, ovvero che assorba una quantità infinità di materiale senza variare la sua temperatura #
  • si definisce diametro ideale critico quel diametro critico di un dato acciaio temprato in un mezzo di tempra ideale

è quindi una misura intrinseca dell'acciaio, che tiene conto dei parametri elencati prima.


E' una misura di temprabilità


Può essere calcolato con una formula empirica, che tiene conto delle percentuali di elementi di lega.


  • Grani austenitici grossi -> grani martensitici grossi -> peggiori proprietà meccaniche.

  • Mo, Mn, Cr aumentano la temprabilità dell'acciaio


  • Cu, Ni, SI stabilizzano poco la martensite, hanno effetti ridotti


  • il boro è particolare, in quanto molto efficace, ma il suo peso è relativo alla presenza degli altri elementi di lega.


  • Prova Jominy


Un cilindro di acciaio dalle misure standardizzate viene fatto austenitizzare per 30 minuti e appeso in verticale.
Viene fatto raffreddare da un getto d'acqua rivolto alla sua estremità inferiore per minimo 10 minuti.


Si producono curve di raffreddamento progressivamente più lente.


Mediante rettifica, vengono realizzate sul campione due superfici opposte piane e parallele.


Si misura la grandezza su di una di queste, in funzione della distanza dall'estremità temprata.

  • Risultati:
    a) le curve sono sempre decrescenti
    b) il valore massimo corrisponde alla durezza della martensite, funzione del tenore di C
    c) il decremento di durezza è funzione del diametro ideale critico (all'aumentare del D, le curve si appiattiscono)
    d)all'aumentare di C le curve sono più in alto ed hanno un'intercetta maggiore.

quindi con la misura di durezza possiamo determinare quanto efficace sia stata la tempra, visti i picchi di durezza e quindi la quantità di martensite.

  • Stima durezza dopo tempra

  • si utilizza un grafico diametro sbarra vs distanza da estremità temprata per provino di Jominy a parità di mezzo temprante.

Come mezzo temprante, si utilizza acqua con soluzione di particelle polimeriche che ne diminuiscono la drastica temprabilità.

  • Tensioni termiche durante la tempra


  • tensioni meccaniche causate dal variare del volume in funzione della temperatura e delle fasi

  • comportano piccole deformazioni permanenti nel componente, dopo austenizzazione e tempra


  • in rari casi, ci possono anche essere delle rotture da tempra. #

  • le tensioni residue possono essere ridotte dal rinvenimento
  • le deformazioni necessitano di una lavorazione meccanica finale dopo la bonifica.
    Queste lavorazioni hanno anche il vantaggio di asportare lo strato superficiale decarburato ed ossidato durante i trattamenti precedenti)
  • le tensioni residue sono dovute al fatto che l'austenite e la ferrite hanno una diversa deformabilità termica rispetto alle fasi in cui l'austenite si trasforma. Ciò comporta un materiale con dilatazioni termiche diverse a seconda della fase.
  • però il fattore più importante nella creazione di queste tensioni è la diversa deformabilità plastica dei costituenti metallografici.
  • differenze di volume specifico tra superficie e cuore durante raffreddamento e materiale completamente austenitico, dovute alla differenza di temperatura
  • l'austenite è ancora deformabile plasticamente.

  • Quindi, quando inizia la trasformazione, la superficie, fin quando ha una percentuale di austenite, può deformarsi plasticamente.


  • nel momento in cui ho un guscio di martensite, quindi difficilmente deformabile, poiché già freddo e un cuore austenitco di poco superiore a Ms, ho un momento di criticità: viene a formarsi uno stato tensionale nel momenti in cui anche il cuore completa la trasformazione poichè non ho possibilità di deformazione plastica per combattere l'aumento di volume, contrariamente al caso precedente.

  • se avessi invece un materiale non completamente temprabile, potrei avere un cuore perlitico quando il guscio non è completamente martensitico.


  • gli acciai più temprabili il pericolo di rottura è maggiore.

  • per ridurre il rischio di rottura e le tensioni residue, posso usare il mezzo temprante men drastico possibile (riduzione differenze di temperatura nel materiale)


  • per ridurre ulteriormente ,posso utilizzare una tempra differita o scalare -> compio una sosta durante il raffreddamento, per ridurre ulteriormente le differenze termiche nel materiale.

  • Trattamenti superficiali

  • spesso è utile creare uno strato superficiale di durezza elevata e spessore limitato
  • aumenta resistenza della superficie che deve sopportare carichi puntuali
  • aumenta la resistenza per le superfici che sono esposte a tensioni maggiori
  • evita o riduce il danneggiamento superficiale del pezzo, dovuto a usura o abrasione

  • Tempra superficiale

  • riscaldamento a temperatura di austenitizzazione , svolto in tempo breve, per minimizzare il riscaldamento dello strato più interno,


  • raffreddamento rapido, trasformazione dell'austenite in martensite


  • rinvenimento finale a bassa T (<200°C) per ridurre tensioni residue

ho creazione di uno strato martensitico superficiale per mezzo di un riscaldamento locale


  • utilizzo un flusso termico di 2 kW/cm2 per circa 2 secondi, così da ottenere uno strato austenetizzato di circa 1 mm, senza intaccare lo strato sottostante.


  • Il mezzo temprante più utilizzato è l'acqua, per la sua economicità. A volte viene usato olio o acqua con sostanze polimeriche. Riduzione di fessurazione ed entità tensioni residue.



Se lo strato è molto sottile, può verificarsi l'autotempramento, ovvero raffreddarsi per contatto con il cuore, più freddo rispetto alla superficie.

  • si temprano superficialmente gli acciai da bonifica, con un tenore di C compreso tra 0,4 e 0,5 perché un tenore più basso comporterebbe scarsa durezza della martensite mentre uno più alto comporterebbe scarsa tenacità del substrato.
  • può essere eseguito a prescindere della microstruttura del materiale .
  • la microstruttura iniziale determina la microstruttura finale del cuore del pezzo, non posso fare altri trattamenti termici in quanto perderei l'indurimento dello strato superficiale.
  • non è possibile eleminare la disomogeneità della microstruttura iniziale.

Ciclo di lavoro:

  • Bonifica
  • Lavorazione meccanica
  • tempra superficiale
  • rettifica

eseguo la bonifica prima, così non rovino lo strato superficiale con il rinvenimento

  • la bonifica facilita la tempra superficiale.
    • a parità di riscaldamento rapido, nel caso di martensite rinvenuta (dopo bonifica) si ottiene un'austenite completamente omogenea, mentre nel caso di ferrite-perlite si ottiene un'austenitizzazione incompleta e un'austenite disomogenea.

La disomogeneità dell'austenite si ripercuote in una disomogeneità della martensite che segue la trasformazione e, nelle zone a C più elevato, avrò più austenite residua (C non si diffonde a causa della trasformazione martensitica).


Con queste considerazioni, si capisce che la temperatura di austetizzazione per la ricottura deve essere maggiore rispetto alla bonifica.

  • la lavorazione di tempra superficiale va indicata sul disegno tecnico, specificando lo spessore di strato desiderato.

La misurazione dello spessore avviene tramite rilevamento di durezza VIckrs: al crollo della durezza, capisco di aver superato lo strato temprato superficialmente.

  • Tempra ad induzione

è il modo più comune per realizzare il riscaldamento superficiale necessario per la tempra superficiale.

  • un induttore (tubo di rame percorso da acqua di raffreddamento) viene attraversato da una corrente alternata.

L'induttore induce un campo magnetico alternato che a sua volta induce una corrente parassita in un componente di acciaio.


La potenza dissipata per effetto Joule nel componente produce il riscaldamento desiderato.

  • effetto pelle: densità di corrente massima in superficie che si riduce con la profondità (avviene se la frequenza della corrente che percorre l'induttore è sufficientemente alta).


  • una frequenza maggiore corrisponde ad una profondità minore dello strato temprato

  • modificando l'intensità di corrente, è possibile modificare la velocità di riscaldamento.

  • Due metodi di tempra:



    1. Tempra ad induzione statica
      tutti i punti da temprate sono trattati contemporaneamente: vengono austenitizzati contemporaneamente (induttore fermo rispetto a pezzo) e raffreddati con un geto di acqua tutti insieme.
  1. Tempra ad induzione progressiva
    l'induttore e il getto d'acqua traslano lungo la superficie da temprare, trattando la superficie in maniera graduale.

La seconda è preferibile perché richiede una potenza minore

  • Cementazione

  • si differenzia dalla tempra perché l'ottenimento della diversa microstruttura dello strato superficiale è raggiunto chimicamente, con un diverso tenore di C
  1. Acciaio viene fatto austenetizzare (T superiore a eutettoidica 723°C) a T 900-950 °C.
    Successivamente viene messo a contatto con elementi capaci di sviluppare CO con il riscaldamento, in modo che si formi uno strato superficiale con un tenore di C superiore rispetto al cuore.

C iniziale 0,2 %
C finale 0,8 %

  1. Il componente viene temprato, ottenendo martensite di elevata durezza su superficie e martensite con ridotta durezza nel cuore/bainite.
  1. Rinvenimento a basse temperature per eliminare le tensioni residue: otteniamo una superficie dura e resistente ed un cuore tenace e duttile

utilizzo acciai a basso C perché altrimenti rischierei di ottenere una superficie con molto C e quindi fragile

  • si usano atmosfere carburanti a p ambiente.
  • carburazione in fase austenitica perché è l'unica che mi permette di avere diffusione del carbonio verso l'interno del pezzo.

  • tramite la legge di Fick, si vede che il processo dura dalle 2 alle 3 H

  • per ridurre il tempo, utilizziamo la tecnica di Sovracarburazione-diffusione ovvero si usa un'atmosfera ricca di C (1,2%) per aumentare il tenore di C nella parte interna dello strato e poi si riduce a 0,8% per la superficie del pezzo.


  • non posso aumentare di più il C perché altrimenti avrei austenite residua a T ambiente, che è meno dura della martensite.

Duplice effetto degli elementi di lega:

  • ottenere microstrutture diverse da ferrite-perlite in cuore
  • contrastare crescita del grano austenitico

Però sono costretto ad avare un tenore di C inferiore a 0,8 perché gli elementi legati abbassano Ms ed Mf e riducono la solubilità nell'austenite del C

  • Ciclo di lavorazione


950° carburazione
850° tempra, in quanto il pezzo viene spostato tra due forni


Ricottura->lavorazioni meccaniche->cementazione->rettifica


la rettifica è necessaria a causa delle deformazioni permanenti causate dall'austenitizzazione e dalla tempra.

  • Cementazione in bassa pressione

Distinzioni dal processo tradizionale:

  • atmosfera carburante: costituita solo da idrocarburi che, durante la carburazione, tendono a trasformarsi in modo irreversibile in altre specie chimiche non desiderate.

  • eseguendo il processo a bassa pressione, non permetto il tempo agli idrocarburi di reagire tra loro, ma solo con la superficie del pezzo.


  • il tenore di C viene controllato agendo sul flusso di gas carburante, su pressione e su tempo. Si eseguono vari stadi di sovraccarico e di diffusione: nella prima fase introduco carburante, nella seconda creo vuoto e permetto diffusione.


  • conviene utilizzare, dal punto di vista impiantistico, una tempra in gas compresso.

  • Vantaggi

  • non utilizzo gas tossici (CO)

  • pericoli di incidenti minori
  • impiego di quantità di gas minore
  • tempo totale di svolgimento minore
  • maggiore omogeneità della struttura
  • assenza di contatto con O2

  • Nitrurazione e nitrocarburazione ferritica

  • lo strato superficiale duro è ottenuto mediante un'operazione di arricchimento chimico di N
  • c'è la possibilità di cementizzare contemporaneamente
  • Intervallo di T è quello di esistenza della ferrite (510-560°C), in quanto l'azoto non è solubile nell'austenite
  • Zona dei composti o coltre bianca in superficie, precipitati in zona di diffusione adiacente.
  • il raffreddamento finale non comporta trasformazioni, quindi non è critico

I trattamenti necessari al substrato devono essere eseguiti prima della nitrurazione, perché andrebbero a cancellarne gli effetti altrimenti.

  • ciclo di lavorazione:

Bonifica->Lavorazione meccanica->nitrurazione-> rettifica (quasi mai necessaria)

Durata da 10h ad alcuni giorni, in quando le basse T comportano una diffusione lenta

  • lo strato superficiale raggiunge una durezza di 800-1000 HV, che diminuisce con la profondità.
  • lo strato dei composti è formato da una fase gamma' e da una eta, che raggiunge discreti livelli di durezza in caso di nitrocarburazione.
  • Lo strato di diffusione è formato da una matrice di ferrite satura di N e da precipitati: solitamente utilizzo Al e Cr per legare con l'N -> Indurimento per precipitazione
  • Vale anche qui la relazione tra radice quadrata del tempo di processo e profondità dello strato indurito, ma non posso modellare con legge di Fick