A cosa serve un impianto di austempering?

Un impianto di austempering è un impianto di trattamento termico caratterizzato dal compimento della fase di tempra a una temperatura superiore al “Martensite Start”, al di sotto della quale avviene la trasformazione martensitica.

Tipologie e utilizzo degli impianti di austempering

Come criterio generale, il mezzo temprante non è vincolante, a condizione che provochi la trasformazione del materiale alla temperatura desiderata. Infatti, non solo il requisito di trasformazione ad una temperatura superiore al “Martensite Start” deve essere rispettato, ma il mezzo temprante deve avere una capacità di estrazione del calore proporzionata allo spessore del getto (drasticità), affinché la temperatura di trasformazione non sia eccessiva per l’ottenimento della struttura desiderata.

In linea di principio, sono stati ipotizzati e realizzati spegnimenti utilizzanti letti fluidi di sabbia, limitatamente a spessori sottili degli oggetti sottoposti al trattamento termico.

Il mezzo temprante quasi universalmente adottato è il bagno di sali, in differenti configurazioni caratterizzate dal rapporto tra quantità di sale e massa della carica, agitazione del bagno, eventuale addizione di acqua in sospensione dinamica nel sale.

Elemento distintivo dell’impianto è la modalità di trasferimento della carica dalla camera di austenitizzazione al bagno temprante, con riferimento particolare alla sicurezza e ripetitività delle operazioni.

Ulteriore elemento distintivo dell’impianto è la configurazione dell’austenitizzatore (in atmosfera di endogas/azoto/aria oppure in bagno di sali ad alta temperatura). L’austenitizzazione in bagno di sali richiede particolari attenzioni per evitare l’inquinamento del sale di spegnimento con il sale di austenitizzazione.

Gli impianti si distinguono inoltre per la modalità di esercizio, continuo per grandi serie di prodotti di piccola dimensione e spessore oppure con cesta di carica (“batch”) per uso universale.

Gli impianti “batch” possono inoltre essere configurati con variante ad una sola porta per l’ingresso e l’uscita nell’austenitizzatore (soluzione tipica) oppure con due porte, una per l’ingresso ed una per l’uscita (“push”) prevedendo più di uno stadio per la salita ed il mantenimento alla temperatura di austenitizzazione (soluzione adatta a processi con tempo breve nella fase di spegnimento).

L’impianto di austempering a batch di Zanardi Fonderie

a) Forno di preriscaldo

Il ciclo di trattamento termico comprende una fase di preriscaldo con i prodotti della combustione del gas naturale. Questa fase ha lo scopo di eliminare l’umidità dalla carica ed omogeneizzare la temperatura della carica al valore di preriscaldo.

b) Vestibolo di purga

Utilizzando il carro di trasferimento, la carica è trasferita dalla stazione di preriscaldo (a sinistra, non disegnata nello schema seguente) all’unità di austempering.

Andata: da preriscaldo a vestibolo e infine alla camera di austenitizzazione
Ritorno: dalla camera di austenitizzazione al vestibolo fino alla tempra in bagno di sale

Transitando sopra il sale, la carica sosta nel vestibolo di purga (porta a sinistra ed a destra entrambe chiuse) per il tempo necessario a bruciare l’ossigeno contenuto nel vestibolo stesso, nella fase finale saturando la camera vestibolare di endogas. Eseguita questa operazione, la porta a destra del vestibolo si apre e la carica è spinta all’interno della camera di austenitizzazione A.

Dopo compimento della fase di austenitizzazione, quando la carica ha raggiunto le condizioni desiderate, si apre la porta a destra (nello schema) del vestibolo di purga dove la carica viene trasferita. La porta quindi si chiude, viene bruciato l’endogas presente nel vestibolo, nella fase finale è effettuato un lavaggio con atmosfera di azoto.

Questa operazione è necessaria per ragioni di sicurezza, dovendosi impedire il contatto tra endogas e sali.

Si apre quindi la porta a sinistra (nello schema) del vestibolo di purga e la carica è trasferita sopra il bagno di sale.

c) Camera di austenitizzazione in endogas

Tra le due fasi nelle quali è interessato il vestibolo di purga, si compie la fase di austenitizzazione.

La camera di austenitizzazione, funzionante con tubi radianti la cui aria comburente è preriscaldata dai fumi in uscita, è dotata di ventole di ricircolazione dell’atmosfera di endogas.

Il funzionamento della camera e la disposizione dei getti nella cesta di carica costituiscono un aspetto critico del processo.

Infatti, si deve ottenere la messa in temperatura con la confidenza che tutta la carica, fino al cuore del getto che si trova nella posizione centrale, si trovi alla temperatura di austenitizzazione. È necessario ricordare che le termocoppie dalle quali è tratto il segnale misurano la temperatura all’esterno della cesta di carica, ma nulla dicono di quanto accade nel cuore del getto nella posizione centrale. Il controllo di questa condizione si ottiene monitorando i parametri del processo e verificando i risultati sulla struttura dei getti nelle diverse posizioni della cesta.

Superato l’eutettoide, con la formazione dell’austenite, inizia anche la fase di diffusione del carbonio dagli sferoidi alla matrice metallica.

Questo processo prosegue, fino a saturazione, mantenendo la carica alla temperatura di austenitizzazione per il tempo necessario.

La diffusione del carbonio, quindi anche il tempo necessario per la saturazione, dipende dalla composizione chimica e dalla dimensione degli sferoidi e può essere misurata con tecniche di dilatometria differenziale.

Un tempo di mantenimento alla temperatura di austenitizzazione maggiore di quello necessario per la saturazione, provoca effetti di ingrossamento del grano, esito ricercato in alcuni gradi intercritici.

d) Vasca di sali fusi

Come nella tempra degli acciai, il componente viene immerso rapidamente nel mezzo temprante costituito da una miscela di nitriti e nitrati fusi ad una temperatura maggiore del “Martensite Start”.

In questo modo, si evita la trasformazione martensitica “a scatto” ed i corrispondenti tensionamenti.

Poiché, alla temperatura del bagno di sali, l’austenite non può esistere nella forma naturale “primaria”, come descritto dal diagramma ferro carbonio alle temperature superiori all’eutettoide, si attiva una reazione di trasformazione dell’austenite primaria (ferro gamma cubico a facce centrate) in ferrite (ferro alfa cubico a corpo centrato) con espulsione dal reticolo del carbonio in eccesso. Questo carbonio libero si rifugia nel reticolo dell’austenite che ancora non ha reagito sovrassaturandolo, quindi stabilizzandolo in forma metastabile alle temperature inferiori all’eutettoide.

Poiché la reazione si compie a temperature di molto inferiori a quella eutettoidica, la ferrite assume una forma aciculare (ferrite di Widmanstätten) e non a grani, come quella tipica del raffreddamento naturale in forma.

La struttura risultante è quindi una miscela di ferrite aciculare ed austenite metastabile sovrassatura in carbonio, quindi dallo stesso stabilizzata.

La reazione sopra descritta deve essere immaginata “nel punto”, ovvero all’interno di un volume piccolo nel confronto con la distanza tra due sferoidi (o due lamelle).

La distanza tra due generici “pozzi” di grafite è un ulteriore strumento atto ad applicare alle ghise un trattamento termico non possibile negli acciai. Infatti, la distanza tra due di questi elementi (ad esempio due sferoidi) caratterizza il “pattern” di reazione che si replica in innumerevoli istanze contemporaneamente.

Lo spazio tra due sferoidi deve essere pensato come costituito da una numerosità di volumetti, ciascuno caratterizzato da una propria composizione chimica, effetto della segregazione chimica prodotta all’eutettico all’atto della solidificazione naturale nella forma.

La composizione chimica locale guida la cinetica locale della reazione (driving force). La reazione procede più velocemente in prossimità dello sferoide e più lentamente al bordo del grano (zona mediana tra due sferoidi adiacenti).

Per effetto della concentrazione locale degli elementi, il volumetto di inizio solidificazione è quello in prossimità dello sferoide (First To Freeze FTF), il volumetto di fine solidificazione è quello al bordo del grano (Last To Freeze LTF).

La stessa sequenza temporale si ripete nella reazione di austempering, la reazione è più veloce in prossimità dello sferoide (First To React) e più lenta al bordo del grano (Last To React).

Un processo ben gestito ottiene una reazione correttamente sviluppata in tutto l’intervallo segregativo: nella FTF, raggiunto l’equilibrio, la struttura deve rimanere stabile per tutto il tempo ancora necessario a raggiungere l’equilibrio nella LTF, nella LTF l’equilibrio deve essere raggiunto in tempi compatibili con la stabilità della struttura nella FTF.

Nel caso di violazione di questi requisiti, il materiale potrebbe contenere austenite instabile nella LTF e/o carburi secondari nella FTF, con pregiudizio per le caratteristiche meccaniche e la lavorabilità.

La struttura può essere controllata rispetto a questi requisiti con il metodo dell’“heat tinting” e/o con una prova di trazione che misuri i parametri dei moti dislocativi.

In aggiunta al robusto svolgimento del processo nella fase di austenitizzazione, l’ottenimento di una struttura appropriata richiede un impianto di trattamento termico robusto anche nella fase di tempra, in grado di assicurare la ripetitività dei parametri di esercizio:

  • Rapporto massa del bagno di sale e quella della carica: il rapporto tra la massa del bagno di sale e quella della carica deve essere sufficientemente grande da contenere entro limiti ragionevoli l’innalzamento iniziale della temperatura del bagno;
  • Uniformità di temperatura: il bagno deve essere agitato in modo da ottenere uniformità di temperatura in tutte le parti della carica;
  • Drasticità di tempra: l’aggiunta di acqua nel sale contribuisce, insieme con l’agitazione del bagno, ad aumentare la drasticità di tempra, riducendo la quantità di leganti necessaria per evitare l’attraversamento del naso perlitico, con benefici effetti dal punto di vista economico e qualitativi, grazie alla minimizzazione delle segregazioni.

L’ottenimento di una struttura appropriata richiede che il materiale allo stato grezzo di fusione sia di buona qualità, la scelta della composizione chimica atta ad evitare l’attraversamento del naso perlitico deve essere appropriata per b.

La temperatura di austempering (temperatura del bagno di sali), scelta in funzione del grado (durezza) deve essere coerente con la temperatura di austenitizzazione, al fine di assicurare una sufficiente “driving force” nella LTF.

Come più sopra descritto, il tempo in camera di austenitizzazione deve essere appropriato per la completa diffusione del Carbonio in tutti gli spessori di tutti i getti della carica.

Nella fase di tempra, il tempo di austempering nel bagno di sale deve essere appropriato per la stabilità dell’austenite nella LTF, evitando però che un tempo eccessivo provochi la formazione di carburi secondari (entrata nel secondo stadio nella FTF).

e) Cesta di trattamento

La disposizione dei getti nella cesta di carica costituisce un aspetto critico del processo, contribuendo alla omogeneità della distribuzione della temperatura nella carica sia nella fase di austenitizzazione che nella fase di tempra.

f) Lavatrice

La lavatrice assolve al compito di togliere dai getti ogni residua traccia di sale, asciugando i getti stessi, a fine di prevenire successive ossidazioni.