Trattamenti di indurimento per acciaio

L’articolo di questa settimana si sposterà nel campo della metallurgia e dei materiali, in particolare dando un’infarinatura sui trattamenti di indurimento per gli acciai. Buona lettura!

Cenni sull’indurimento

Qualche tempo fa è stato pubblicato il primo articolo sull’acciaio, che aveva scopo di offrire una panoramica molto generale su metalli, le leghe e la composizione degli acciai stessi: con l’articolo di oggi ne andiamo ad approfondire un sotto-argomento.

I meccanismi di indurimento non sono altro che trattamenti, applicati agli acciai, per aumentarne la durezza. Si definisce durezza la capacità di un materiale di resistere all’usura, scalfatura e deformazione plastica (permanente). La prima cosa da precisare è il fatto che la durezza di un materiale sia diversa dalla sua resistenza: difatti la resistenza di un materiale indica il massimo sforzo che esso sia in grado di sopportare, mentre la durezza ne indica la capacità di non scalfirsi/scheggiarsi/usurarsi a seguito di sfregamenti o impatti.

Per fare un esempio, possiamo definire resistente una trave d’acciaio alla quale è applicato un carico, mentre un diamante, praticamente impossibile da incidere/scalfire con strumenti manuali, sarà definibile come duro.

Un materiale duro non è detto sia resistente, e viceversa. Tendenzialmente, un materiale duro è anche fragile, vale a dire che, essendo in grado di deformarsi molto poco, non assorbirà l’energia dovuta ad un carico/urto e, oltrepassata la soglia limite, si romperà.

Principalmente, all’aumentare della percentuale di carbonio in un acciaio, la durezza aumenta, a discapito però della resistenza e della resilienza (la capacità di un materiale di resistere ad urti). Per tale motivo le ghise (leggi qui la differenza tra acciaio e ghisa) sono molto dure ma si rompono facilmente a seguito di impatti. Questo giustifica il fatto che siano necessari meccanismi di indurimento di natura differente, così da evitare tali grossi effetti collaterali.

Andiamo subito a vedere i principali meccanismi di indurimento per gli acciai.

Cementazione

In metallurgia, la cementazione è un processo termochimico in cui la superficie dell’acciaio viene arricchita di carbonio, il quale va a formare una soluzione solida in superficie (che tende leggermente a diffondersi anche in profondità). L’indurimento avviene poichè la formazione di carburi nella parte superficiale del pezzo introduce ostacoli nel reticolo cristallino, prevenendone i movimenti ed aumentandone di conseguenza la rigidezza (l’effetto è limitato chiaramente alla parte superficiale, dove effettivamente ha efficacia)

La cementazione si può ottenere per:

• Soluzione solida (chiudendo il pezzo in una cassetta e cospargendone la superficie di una sorta di miscela di carbone)
• Soluzione liquida (cospargendo il pezzo di cemento liquido e portandolo alla giusta temperatura di reazione)
• Soluzione gassosa (immergendo il pezzo in un’atmosfera di ossido di carbonio, a circa 900°C)

Nitrurazione

La nitrurazione è un processo di indurimento ottenuto tramite azoto. Essa viene attuata ad una temperatura relativamente bassa (500/550°C), introducendo il materiale per diverse ore (si arriva fino a 72) in un’atmosfera di ammoniaca gassosa che reagirà con il materiale, rilasciando l’azoto che verrà successivamente assorbito dall’acciaio e reagendo con il ferro in esso contenuto. Il risultato della reazione ferro+azoto sono i nitruri, ovvero dei composti molto duri che si pongono come ostacoli ai movimenti del reticolo cristallino.

Una possibile controindicazione della nitrurazione è l’espansione dell’azoto (sotto forma di gas) non reagito con il ferro, che formerebbe delle “bolle” all’interno del materiale, che ne infragilirebbero la struttura. Con gli acciai legati all’Alluminio questo rischio si riduce, in quanto quest’ultimo con l’azoto riesce a costituire un legame solido ed integrato nella struttura del materiale.

Tempra

Un altro trattamento di indurimento è la tempra; essa non è altro che un riscaldamento del materiale fino ad una temperatura sufficiente a variarne la struttura reticolare (la temperatura di austenitizzazione, circa 900°C), seguito da un raffreddamento rapido che “congeli” tale struttura (dal processo metallurgico deriva anche il detto “essere temprati da qualcosa”, quando un evento improvviso e repentino rende una persona più forte).

L’effetto indurente è dovuto al fatto che le dislocazioni, ovvero i “buchi” nel reticolo (che sono alla base della sua deformazione\variazione), vengano portate all’interno dei grani (da cui il materiale è costituito) durante il riscaldamento, rimanendoci “intrappolate” dopo il raffreddamento improvviso e di fatto limitando la deformabilità del pezzo.

Il riscaldamento del materiale può essere effettuato per fiammatura (banalmente con la fiamma ossidrica), per induzione elettrica (scaldando il pezzo per mezzo di una resistenza elettrica) oppure con tecniche laser (più veloci, innovative ma costose). Da tali metodi di riscaldamento si intende come la tempra possa essere facilmente effettuata localmente, senza coinvolgere il pezzo intero.

La tempra rende il materiale molto duro, ma estremamente fragile. Per ridurre quest’effetto viene solitamente effettuato un rinvenimento del pezzo, ovvero un riscaldamento fino a 500 °C circa, seguito da un raffreddamento lento. Questo non fa altro che “limitare l’effetto temprante”, ponendosi di fatto il risultato finale in una via di mezzo tra stato iniziale e completamente temprato. La combinazione tempra+rinvenimento è chiamata Bonifica.

Conclusioni

L’argomento trattamenti è sicuramente molto vasto: questo articolo aveva lo scopo di dare una prima infarinatura su quelli che sono i trattamenti di indurimento. Mi auguro che la spiegazione sia stata utile e di vostro gradimento.

Attendo i vostri commenti a riguardo.

Ci sentiamo la prossima settimana

Un saluto

Luca