Il trattamento termico è un processo termico controllato che consiste in cicli di riscaldamento, mantenimento e raffreddamento per modificare la microstruttura e le proprietà meccaniche dei materiali metallici. Nei componenti realizzati con metallurgia delle polveri (PM), il trattamento termico viene applicato per migliorare la durezza, la resistenza alla trazione e la resistenza all'usura, affinando la struttura dei grani e favorendo le trasformazioni di fase.
Contenuti
Vantaggi del trattamento termico per le parti di metallurgia delle polveri
Maggiore durezza superficiale e resistenza all'usura
Quando vengono applicati trattamenti termici specifici al parti di metallurgia delle polveri, migliorano la durezza superficiale e la resistenza all'usura dei componenti. Ad esempio, cementando i componenti metallici in un'atmosfera ad alto contenuto di carbonio, il carbonio viene incorporato nella loro microstruttura.
Successivamente, durante la tempra, la struttura di arricchimento del carbonio si trasforma in martensite dura. Dopo questo trattamento termico, la durezza superficiale del componente sinterizzato rientra nell'intervallo HRC 58-65, rendendolo tenace e resistente all'atmosfera abrasiva.
Maggiore resistenza e durata alla fatica
La resistenza alla trazione e la resistenza alla fatica possono essere migliorate mediante un trattamento termico controllato sui componenti realizzati in metallurgia delle polveri, come la tempra seguita dal rinvenimento.
Il trattamento termico può migliorare significativamente la resistenza alla trazione e alla fatica degli acciai ottenuti tramite metallurgia delle polveri. Uno studio sul trattamento termico mediante polverizzazione delle polveri su acciaio per utensili per lavorazioni a freddo ha rilevato che l'aggiunta di una fase di -80 °C sotto zero tra la tempra e il rinvenimento della distribuzione del carburo raffinato ha aumentato la resistenza alla trazione di circa il 10% e la resistenza alla fatica con intaglio di circa il 25%. Tali risultati evidenziano il valore del trattamento termico avanzato nel migliorare queste proprietà critiche per i componenti sottoposti a polverizzazione delle polveri sottoposti a carichi ciclici.
Regolazione della tenacità
Alcuni trattamenti termici vengono applicati ai componenti metallici per renderne la superficie tenace mantenendo al contempo il nucleo interno morbido, come la tempra a induzione. Il nucleo tenace ne aumenta la durata rendendoli resistenti all'usura, mentre il nucleo tenace consente loro di sopportare carichi elevati senza fessurarsi. Applicazioni tipiche includono ingranaggi per pompe dell'olio e pignoni per la distribuzione.
Stress Relief
La ricottura a bassa temperatura è comunemente utilizzata per alleviare le tensioni residue nei componenti realizzati con metallurgia delle polveri, che possono formarsi durante la compattazione, la sinterizzazione o la lavorazione meccanica. Questo trattamento stabilizza la microstruttura, riduce al minimo i rischi di distorsione e migliora la precisione dimensionale.
Metodi di trattamento termico per parti di metallurgia delle polveri
tempra
La tempra è un trattamento in cui i componenti in polvere metallica vengono riscaldati a una temperatura di austenitizzazione (spesso 800-950 °C per gli acciai) e quindi raffreddati rapidamente utilizzando un mezzo di tempra come olio, acqua o gas. Il raffreddamento rapido impedisce la formazione di fasi più tenere come perlite o bainite, trasformando l'austenite in martensite e aumentando così la durezza, la resistenza e la resistenza all'usura del materiale.
Di conseguenza, la resistenza e la resistenza all'usura dei componenti aumentano. Sebbene il processo migliori la resistenza e la durezza del componente metallico, il raffreddamento rapido crea sollecitazioni, aumentando la fragilità o riducendo la tenacità. Ecco perché la tempra è seguita da un rinvenimento per ripristinare la tenacità. La tempra viene applicata a ingranaggi, utensili da taglio e utensili meccanici, dove durezza e resistenza all'usura sono fondamentali.
tempra
La rinvenimento viene eseguito principalmente su componenti sottoposti a tempra, dove durezza e resistenza aumentano, ma la tenacità diminuisce, rendendo il componente più fragile. Il rinvenimento mantiene un equilibrio tra tenacità e duttilità.
Nella tempra, i componenti vengono prima riscaldati al di sotto della loro temperatura critica per un certo periodo di tempo. La temperatura di tempra dipende dalla composizione degli elementi come
- Gli acciai per utensili vengono temprati a circa 200-300°C
- Acciai per molle a 300-400°C e
- Acciai strutturali a 450-650°C
Dopo uno specifico periodo di permanenza, questi componenti vengono raffreddati a una velocità controllata in base alle proprietà meccaniche richieste. Questo processo aumenta la duttilità e la flessibilità, riducendo al contempo la fragilità, garantendo che il componente possa resistere a urti e carichi ciclici senza rotture.
ricottura
La ricottura è un processo di trattamento termico applicato ai componenti realizzati con metallurgia delle polveri per migliorarne la lavorabilità e alleviare le tensioni generate durante la compattazione e la sinterizzazione. A differenza della tempra, che aumenta la durezza, la ricottura produce una microstruttura più morbida e duttile.
Per gli acciai ottenuti tramite metallurgia delle polveri, i parametri di ricottura, come l'intervallo di temperatura, il tempo di mantenimento e il metodo di raffreddamento, variano a seconda del tipo di materiale. Ad esempio, per gli acciai bassolegati, ogni volta che è richiesta la ricottura, questa viene comunemente eseguita a una temperatura di 830–870 °C, seguita da un raffreddamento in forno a circa 450 °C a una velocità di 10–15 °C all'ora, prima del raffreddamento in aria. Questo raffreddamento graduale trasforma la microstruttura, riducendo la durezza e migliorando al contempo la stabilità dimensionale e la duttilità.
La ricottura è comunemente utilizzata per boccole, manicotti dei cuscinetti e componenti strutturali in cui stabilità e tenacità sono prioritarie rispetto alla massima durezza.
Indurimento ad induzione
La tempra a induzione è un metodo di trattamento termico superficiale in cui i componenti realizzati con metallurgia delle polveri vengono riscaldati rapidamente per induzione elettromagnetica, in genere a 800-950 °C per gli acciai. Il processo utilizza una corrente alternata ad alta frequenza fatta passare attraverso una bobina di rame.
Questa corrente genera correnti parassite sulla superficie del componente e ne riscalda la superficie a una temperatura superiore a quella di austenitizzazione. Una volta raggiunta la temperatura desiderata, il componente viene immediatamente raffreddato, trasformando lo strato riscaldato in un involucro martensitico duro, mantenendo al contempo tenace e duttile il nucleo.
Rinforzo dell'involucro
La cementazione comprende diversi processi di riscaldamento che induriscono i componenti metallici dalla superficie, mantenendone il nucleo duttile e resistente.
carburazione
Nella cementazione, i componenti metallici vengono sottoposti a un'atmosfera ricca di carbonio in un forno a 850 °C e 950 °C. La fonte di carbonio è solitamente metano o monossido di carbonio, che si diffonde nello strato superficiale del componente. Questo modifica la microstruttura superficiale e, dopo la tempra, produce un rivestimento martensitico duro che aumenta notevolmente la resistenza all'usura e la durezza superficiale.
nitrurazione
Nella nitrurazione, i componenti vengono introdotti in un ambiente ricco di azoto, utilizzando un forno con ammoniaca o un'unità di nitrurazione al plasma. In questo caso, la temperatura dei forni viene mantenuta inferiore a quella della carburazione, ovvero tra 500 e 600 °C, con conseguente formazione di nitruri. Di conseguenza, l'azoto si combina con gli elementi di lega per formare nitruri duri, migliorando la durezza superficiale, la resistenza alla fatica e la resistenza alla corrosione. La nitrurazione viene in genere eseguita per componenti sottoposti a forti sollecitazioni, come alberi motore e alberi a camme.
Carbonitrurazione
La carbonitrurazione è un processo di indurimento superficiale in cui i componenti vengono sottoposti contemporaneamente a un'atmosfera contenente carbonio e azoto. Gli idrocarburi gassosi forniscono la fonte di carbonio, mentre l'ammoniaca fornisce l'azoto. La temperatura del forno viene mantenuta al di sotto della temperatura di trasformazione del materiale, ad esempio per l'acciaio, tra 820 e 900 °C.
Ciò si traduce nella formazione di componenti duri come nitruro di ferro e carburo, responsabili di un aumento della durezza superficiale, della resistenza all'usura e alla fatica. Dopo la carbonitrurazione, i componenti vengono in genere sottoposti a tempra per fissare la microstruttura indurita, seguita da rinvenimento per ridurre la fragilità e raggiungere l'equilibrio desiderato tra durezza e tenacità.
Tempra per sinterizzazione
La tempra per sinterizzazione è il trattamento termico dei componenti in polvere metallica, in cui i componenti vengono sinterizzati e temprati con lo stesso processo. In questo caso, i componenti vengono prima riscaldati a una temperatura elevata per la sinterizzazione e poi sottoposti a raffreddamento accelerato.
Questo raffreddamento accelerato converte la microstruttura direttamente in martensite o in una miscela martensitico-bainitica, eliminando la necessità di un'operazione di tempra separata. Di conseguenza, questo processo riduce i tempi di produzione, abbassa i costi di movimentazione e riduce al minimo la distorsione. Questo trattamento termico viene applicato a ingranaggi, pignoni e componenti strutturali che richiedono elevata resistenza all'usura e robustezza direttamente dopo la sinterizzazione.
Trattamento di invecchiamento
Il trattamento di invecchiamento è un processo di trattamento termico, noto anche come indurimento per precipitazione, in cui le particelle metalliche fini precipitano all'interno della microstruttura del materiale. Questi precipitati finemente dispersi agiscono come barriere al movimento delle dislocazioni, migliorando significativamente la durezza e la resistenza. Questo processo consente al materiale di resistere alla deformazione ad alte temperature, rendendolo termicamente stabile.
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