Panoramica dei processi di trattamento termico: Dai metalli agli stampi in plastica

I diversi materiali hanno ruoli diversi nel settore ingegneristico e quindi richiedono processi di proprietà per soddisfare le esigenze necessarie. Gli ingegneri applicano diverse tecniche per acquisire le proprietà necessarie durante il processo di produzione. Uno dei processi ampiamente applicabili è il trattamento termico.

Il ruolo del trattamento termico nella produzione ingegneristica è quello di modificare le proprietà meccaniche e chimiche del pezzo prima di introdurlo nella lavorazione o nell'assemblaggio. Grazie a questo processo, il componente risultante diventa più utile e maneggevole ed è sicuro per l'uso in officina.

Il trattamento termico, nell'ambito dell'ingegneria manifatturiera e della scienza dei materiali, consiste nel riscaldare un materiale a una certa temperatura, nel mantenerlo a tale temperatura per un certo periodo di tempo e nel raffreddarlo secondo un determinato schema. Il trattamento termico modifica la microstruttura dei materiali, ottenendo proprietà meccaniche come la resistenza all'usura, la tenacità e la durezza.

Il trattamento termico non si applica solo ai metalli, ma è necessario anche per la produzione di stampi in plastica. Ad esempio, garantisce che gli stampi utilizzati in pressofusione sono costantemente stabili dal punto di vista dimensionale, resistendo a deformazioni e fessurazioni.

Le industrie manifatturiere, aerospaziali, edili e automobilistiche sono alcuni dei settori che utilizzano costantemente il trattamento termico per migliorare i loro prodotti. Di solito trattano i metalli con tecniche di ricottura, tempra e rinvenimento.

Processi di trattamento termico dei metalli

I tre processi di trattamento termico dei metalli comprendono la ricottura, la tempra e il rinvenimento.

ANNULLAMENTO

La ricottura è un processo di trattamento termico che mira a riportare un componente al suo stato fisico. La duttilità è molto importante nella produzione di diversi componenti ingegneristici come le piastre metalliche, che garantiscono una più facile laminazione in fogli più sottili. Tuttavia, a volte questi metalli diventano duri. In alcuni casi, durante la lavorazione e la trasformazione a freddo degli alberi metallici o durante la colata, i materiali accumulano tensioni interne che possono portare alla loro fragilità. Il ruolo della ricottura è quello di abbassare i livelli di durezza e di alleviare le possibili tensioni in questi materiali.

Durante la ricottura, i tecnici aumentano la temperatura del metallo appena al di sopra della temperatura di ricristallizzazione. Tuttavia, la temperatura di ricottura deve essere inferiore alla temperatura di fusione dei materiali. Le alte temperature forniscono energia sufficiente per la migrazione degli atomi all'interno della microstruttura del metallo.

L'elevata energia porta anche alla formazione di un maggior numero di grani. Il processo porta alla rettifica delle dislocazioni. Inoltre, i processi alleviano le tensioni interne del metallo. Al momento del raffreddamento, il metallo ripristina efficacemente la sua duttilità per una facile lavorabilità.

Fasi del processo di ricottura

1. Riscaldamento: Il riscaldamento del metallo avviene a temperature di ricristallizzazione che variano a seconda del tipo di metallo. Per esempio, la temperatura di ricristallizzazione per l'acciaio è di 500-700⁰C. Questo riscaldamento porta a una temperatura uniforme nei materiali, con conseguente riarrangiamento della microstruttura.

2. Tempo di ammollo/tenuta: Una volta che il metallo raggiunge la temperatura di ricristallizzazione, i tecnici lo mantengono a quella temperatura per un certo periodo di tempo, chiamato tempo di immersione. In questo periodo si verifica la ricristallizzazione, che porta alla formazione di nuovi grani nella microstruttura del metallo. Di conseguenza, il processo porta all'ammorbidimento del metallo. La composizione e lo spessore del materiale determinano il tempo di immersione. La durata può essere da pochi minuti a diverse ore.

3. Raffreddamento: Il periodo di raffreddamento del metallo. I tecnici si assicurano che il raffreddamento sia lento nell'ambiente controllato, sia in aria che in forno. Grazie al raffreddamento lento, i tecnici impediscono la formazione di tensioni e fasi indesiderate nella microstruttura del metallo. Un raffreddamento rapido del materiale può indurire il metallo.

Metalli comuni

SQUILIBRIO

A differenza della ricottura, che mira a rimuovere la durezza del metallo, la tempra cerca di ottenere durezza e resistenza del metallo. Nella tempra, i tecnici riscaldano il metallo a una certa temperatura e lo raffreddano rapidamente a temperatura ambiente o inferiore. Il processo di raffreddamento rapido porta a un riallineamento strutturale e atomico nella struttura del metallo. Questa trasformazione è una trasformazione martensitica e il materiale risultante è duro.

Gli ingegneri possono ottenere la tempra con acqua, olio, aria e fluidi speciali. Il metodo da utilizzare dipende dai risultati del metallo da raffreddare.

Fasi del processo di tempra dei metalli

1. Preparazione del metallo: In base alle proprietà del materiale, i tecnici selezionano il tipo di metallo da temprare. Il metallo viene quindi pulito per rimuovere sporco o detriti che possono interferire con il processo di tempra.

2. Riscaldamento del metallo: Il metallo viene riscaldato a temperature critiche in un forno per il trattamento termico. Alle temperature critiche, i metalli diventano amagnetici. Il riscaldamento è uniforme per garantire che la durezza risultante sia uniforme.

3. Selezione dei mezzi di tempra: Esiste un'ampia gamma di mezzi di tempra. La scelta di alcuni mezzi dipende dai materiali e dallo scopo dei prodotti ottenuti. Ad esempio, i tecnici scelgono l'acqua come mezzo di tempra se il materiale è acciaio al carbonio.

4. Spegnimento del metallo: Abbassare con cura il metallo caldo nel mezzo di tempra. I tecnici utilizzano vasche di tempra per garantire l'uniformità, e l'immersione completa del metallo porta a un raffreddamento uniforme. 

5. Controllo della velocità di raffreddamento: La velocità di raffreddamento influisce in modo significativo sulle proprietà del prodotto finale. Utilizzando velocità di raffreddamento più elevate si ottiene una maggiore durezza, mentre con velocità di raffreddamento più basse si ottengono materiali più morbidi.

Selezione dei mezzi di raffreddamento

I diversi mezzi di tempra hanno applicazioni diverse nel processo di tempra. Ad esempio, l'uso dell'acqua può portare a una velocità di raffreddamento molto elevata. Grazie alla sua elevata capacità di raffreddamento, l'acqua raggiunge la durezza nel più breve tempo possibile. Nella maggior parte dei casi, gli ingegneri utilizzano la tempra in acqua per formare acciaio martensitico. Tuttavia, l'elevata velocità di raffreddamento può talvolta provocare deformazioni e crepe. Le applicazioni della tempra in acqua comprendono acciai al carbonio e legati che richiedono un'elevata durezza per gli utensili da taglio.

La tempra in olio è applicabile per velocità di raffreddamento moderate. I metalli si raffreddano moderatamente e lentamente durante la tempra in olio per evitare deformazioni e cricche. Gli ingegneri utilizzano la tempra in olio per ottenere un equilibrio tra durezza e tenacità. Tuttavia, la tempra in olio è rischiosa perché è infiammabile. Inoltre, gli oli sono difficili da maneggiare. Il prodotto risultante può mancare della massima durezza.

La tempra in aria è essenziale per un raffreddamento lento. La velocità di raffreddamento graduale è fondamentale per le leghe che possono distorcersi e incrinarsi a causa di un raffreddamento più rapido. Tuttavia, la tempra in aria può non portare alla massima durezza.

TEMPERATURA

Il rinvenimento segue solitamente la tempra per ridurre la fragilità del metallo e ripristinarne la duttilità. Durante il rinvenimento, i tecnici riscaldano nuovamente il metallo dal processo di tempra a determinati livelli e lo mantengono al di sotto del punto critico (di solito 150-700C) per un certo tempo. Segue il raffreddamento in aria calma a temperatura ambiente.

Passi

1. Riscaldamento: Riscaldare il metallo alla temperatura di rinvenimento, che è compresa tra la temperatura ambiente e la temperatura critica. Controllare la velocità di riscaldamento. Un riscaldamento troppo rapido può causare cricche. Metalli diversi hanno temperature di rinvenimento diverse. Il riscaldamento aiuta a rilasciare le tensioni del processo di tempra, mantenendo la durezza.

2. Tempo di mantenimento: Mantenere il metallo alla temperatura di tempra. Il tempo di mantenimento varia da 30 minuti a ore, a seconda dell'uso del prodotto risultante e dello spessore del materiale. Questo tempo di mantenimento porta a un ammorbidimento, riducendo i livelli di fragilità e mantenendo la durezza dei materiali.

3. Raffreddamento: Dopo il tempo di mantenimento, raffreddare il metallo con aria. L'aria garantisce un raffreddamento lento che evita la formazione di nuove tensioni.

Metodi di trattamento termico per stampi in plastica e pressofusione

La durata e le prestazioni degli stampi per colata dipendono dalla scelta dei materiali. Gli ingegneri degli stampi sono responsabili della selezione dei materiali tenendo conto delle funzioni e della struttura. Per soddisfare le funzioni e la struttura giuste, i materiali degli stampi per colata sono sottoposti a trattamento termico e a rinforzo superficiale per garantire durata e qualità.

Il trattamento termico degli stampi per pressofusione prevede quattro fasi fondamentali.

Preriscaldamento e postriscaldamento

Questa fase è essenziale nel trattamento termico perché aiuta lo stampo a resistere agli shock termici. Durante le operazioni, gli stampi per la pressofusione subiscono shock termici dovuti a cambiamenti rapidi che possono provocare crepe e deformazioni. Durante il preriscaldamento, gli ingegneri degli stampi riscaldano gli stampi alle temperature di esercizio prima dell'inizio dello stampaggio. Questo processo previene i cedimenti prematuri. Il preriscaldamento prolunga inoltre la vita dello stampo e garantisce la stabilità dimensionale durante le operazioni di stampaggio.

Dopo il processo di stampaggio, i tecnici degli stampi sono sottoposti a post-riscaldamento in condizioni di raffreddamento controllate. Questo processo riduce la formazione di tensioni interne che possono portare a deformazioni.

Alleviare lo stress

Questo processo è fondamentale per gli stampi di pressofusione. È simile alla ricottura dei metalli, ma in questo caso avviene a temperature relativamente più basse. Inoltre, negli stampi per pressofusione, la distensione mira a rilassare le tensioni accumulate piuttosto che ad ammorbidire i materiali dello stampo.

Nitrurazione per la durezza dello stampo

Questo processo contribuisce a indurire la superficie dell'acciaio dello stampo senza intaccare la superficie interna dei materiali dello stampo. La nitrurazione migliora la resistenza all'usura e aumenta la durata dello stampo.

La nitrurazione prevede il riscaldamento dello stampo in un ambiente ricco di azoto. In questo processo, l'azoto si diffonde sulla superficie dell'acciaio per creare una superficie dura di nitruro.

L'obiettivo del processo è simile alla tempra. Tuttavia, le temperature per la nitrurazione sono di 500-550°C, relativamente inferiori alla temperatura di tempra. Mentre la tempra richiede tempi lenti, la nitrurazione richiede tempi relativamente più lunghi, alcune ore.

Tuttavia, lo strato di nitruro ottenuto è eccellente e non richiede un post-trattamento.

Trattamento termico sotto vuoto

Questo processo avviene sotto vuoto per evitare l'ossidazione e la contaminazione della superficie dello stampo. L'ossidazione può causare una scarsa finitura superficiale e indebolire lo stampo. Il trattamento termico sotto vuoto è simile ad altri trattamenti termici dei metalli, compresa la ricottura. La differenza è che avviene nel vuoto. È costoso ma utile per gli stampi di precisione nei settori dei dispositivi medici e aerospaziali.

Confronto tra il trattamento termico dei metalli e il trattamento termico degli stampi

Conclusione

Il ruolo del trattamento termico nella produzione ingegneristica è quello di modificare le proprietà meccaniche e chimiche del pezzo prima di introdurlo nella lavorazione o nell'assemblaggio. Grazie a questo processo, il componente risultante diventa più utile e maneggevole ed è sicuro per l'uso in officina. I tre processi di trattamento termico dei metalli comprendono la ricottura, la tempra e il rinvenimento.

A differenza della ricottura, che mira a rimuovere la durezza del metallo, la tempra mira a ottenere la durezza e la resistenza del metallo. I diversi mezzi di tempra hanno applicazioni diverse nel processo di tempra. Ad esempio, l'uso dell'acqua può portare a una velocità di raffreddamento molto elevata. La tempra in olio è applicabile per velocità di raffreddamento moderate. Quando si esegue la tempra in olio, i metalli si raffreddano moderatamente e lentamente per evitare deformazioni e cricche. Il rinvenimento segue solitamente la tempra per ridurre la fragilità del metallo e ripristinarne la duttilità.

Il trattamento termico degli stampi per pressofusione prevede quattro fasi fondamentali: preriscaldamento e post-riscaldamento, distensione, nitrurazione per la durezza dello stampo e trattamento termico sotto vuoto. Durante il preriscaldamento, i tecnici degli stampi riscaldano gli stampi a temperature operative prima dell'inizio dello stampaggio. Dopo il processo di stampaggio, gli ingegneri degli stampi eseguono il post-riscaldamento in condizioni di raffreddamento controllate. Questo processo riduce la formazione di tensioni interne che possono portare a deformazioni.

Questo processo contribuisce a indurire la superficie dell'acciaio dello stampo senza influenzare la superficie interna del materiale dello stampo. Il trattamento termico sotto vuoto è simile ad altri trattamenti termici dei metalli, compresa la ricottura. La differenza è che avviene nel vuoto. È costoso ma utile per gli stampi di precisione nei settori dei dispositivi medici e aerospaziali.