Che cos’è il trattamento termico di austempering?

Il trattamento termico di austempering, tradizionalmente noto per essere applicato agli acciai, è stato riscoperto con importanti vantaggi se applicato alle ghise, particolarmente quelle a grafite sferoidale.

Sia per gli acciai che per le ghise, l’esecuzione del trattamento di austempering richiede di evitare il passaggio attraverso il naso perlitico nelle curve di trasformazione CCT (Continuous Cooling Transformation).

Schematic CCT diagram for a cast iron illustrating the presence of IPR of Ferrite, Pearlite, Ausferrite, and Martensite in T-t space

Fonte: METAL CASTING, Reference Book for MY4130 – By Prof. Karl B. Rundman – Dept. of Materials Science and Engineering Michigan Tech. University

Affinché ciò avvenga, è necessario aggiungere elementi leganti, capaci di spostare verso destra dette curve CCT di una entità crescente al crescere dello spessore del getto (infatti, la velocità con la quale il getto si raffredda, a parità di condizioni imposte dall’impianto di trattamento termico, dipende dallo spessore).

Nel corso della trasformazione liquido-solido, gli elementi contenuti nel metallo sono soggetti a segregazione (legge di Scheil), ottenendo una diversa concentrazione di ciascuno di loro da punto a punto. La concentrazione degli elementi in ciascun punto ha una rilevante influenza sulla velocità di trasformazione, determinando le proprietà meccaniche, la stabilità strutturale e la lavorabilità del componente.

Nelle ghise a grafite sferoidale, la sequenza segregativa (quindi le concentrazioni minime e massime di ciascun elemento) sono guidate dalla distanza tra due sferoidi adiacenti, consentendola corretta esecuzione del trattamento termico di austempering su spessori maggiori rispetto a quanto possibile con gli acciai, rendendo quindi vantaggiosamente praticabile l’austempering ai getti di fonderia.

Quali sono le fasi del trattamento di austempering

Le fasi del trattamento di austempering sono: preriscaldo; austenitizzazione completa; austenitizzazione intercritica; tempra in bagno di sale; mantenimento a temperatura costante fino al completamento della reazione ausferritica.

  • Preriscaldo: riscaldamento del materiale a circa 500 °C, con lo scopo di eliminare l’umidità dalla carica, riducendo il tempo necessario per la salita alla temperatura di austenitizzazione.
  • Austenitizzazione completa: mantenimento a una temperatura superiore alla eutettoidica AC3 (indicata nel diagramma ferro carbonio) con completa trasformazione della struttura ferrosa in austenite.
  • Austenitizzazione intercritica: mantenimento a una temperatura intermedia tra le eutettoidiche AC1 e AC3 (indicate nel diagramma ferro carbonio) con parziale trasformazione della struttura ferrosa in austenite in equilibrio con una fase ferritica detta proeutettoidica.
  • Tempra in bagno di sale: discesa dalla temperatura di austenitizzazione alla temperatura di tempra con velocità sufficiente da impedire la trasformazione perlitica.

Il mantenimento alla temperatura di tempra, superiore a quella di trasformazione martensitica MS (indicata nei diagrammi contenenti le curve di Bain), permette lo svolgimento della reazione ausferritica, consistente nella trasformazione dell’austenite in ferrite aciculare, con liberazione di Carbonio (la ferrite ne contiene una quantità trascurabile nel proprio reticolo) che migra nel reticolo dell’austenite non trasformata, stabilizzandola.

Grafico 1: rappresentazione grafica del ciclo di austempering della ghisa sferoidale austemperata

Perché nell’austempering si parla di tempra isotermica

Nel trattamento termico di austempering, si parla di “tempra isotermica”. La trasformazione ausferritica, infatti, avviene a temperatura costante. A differenza di quanto accade per altri tipi di trattamenti, nella fase di tempra dell’austempering è necessario mantenere temperature costanti per evitare la trasformazione perlitica.

Come cambia la struttura della ghisa sferoidale da una fase all’altra?

Durante il trattamento di austempering, la struttura della ghisa cambia in modo radicale.

Allo stato grezzo di fusione, oppure dopo un trattamento termico di ferritizzazione o normalizzazione, la struttura è composta di ferrite e/o perlite. La perlite è una miscela intima di ferrite e carburi. La ferrite è una struttura cubica a corpo centrato, con gli atomi di ferro ai vertici del reticolo cubico e un atomo di carbonio al centro del reticolo.

Struttura perlitica (100x)

Struttura ferritica (100x)

La struttura ausferritica, ottenuta a seguito del trattamento di austempering, consiste in una fase ferritica cubica a corpo centrato (molto più affinata di quella precedentemente descritta), insieme con una fase austenitica, cubica a facce centrate (gli atomi di carbonio sono disposti al centro delle facce del reticolo cubico). La struttura a facce centrate dell’austenite (stabilizzata dal carbonio) conferisce al materiale favorevoli proprietà in termini di duttilità, tenacia e comportamento alle basse temperature.

Struttura ausferritica – ADI1050 (x500)

L’austenite (ferro gamma) presente nella fase di austenitizzazione è una struttura di equilibrio nel diagramma ferro-carbonio ed è caratterizzata dal contenuto di carbonio corrispondente alla curva di saturazione (valore esemplificativo 0.8% ponderale in figura).

Struttura ausferritica – ADI1050 (x500)

Fonte: METAL CASTING, Reference Book for MY4130 – By Prof. Karl B. Rundman – Dept. of Materials Science and Engineering Michigan Tech. University

Se questa struttura fosse mantenuta per un tempo lungo ad una temperatura appena al di sotto di quella della trasformazione eutettoidica (AC1), otterremo una struttura ferritica, praticamente priva di carbonio, accompagnata dalla comparsa di un alone grafitico attorno agli sferoidi. Infatti, a tale -elevata- temperatura (ricottura subcritica) il carbonio avrebbe mobilità e tempo sufficiente per diffondere dal proprio sito fino allo sferoide.

Poiché la temperatura di austempering è troppo bassa per consentire al carbonio questa mobilità, la trasformazione avviene “in situ”.

In questo modo, il carbonio rifiutato dall’austenite trasformata in ferrite si rifugia in un reticolo austenitico immediatamente adiacente, contribuendo progressivamente a stabilizzarlo, impedendone la trasformazione.

La quantità massima di carbonio che può essere contenuta nella austenite non trasformata è data dalla curva di saturazione metastabile (valore esemplificativo 2.0% ponderale in figura).

Quindi, la differenza tra l’austenite primaria e quella dopo la reazione di austempering consiste nel differente contenuto di carbonio e nella diversa affinazione, conservando la comunanza della struttura a facce centrate.

Applicazione del trattamento termico di austempering su materiali as-cast

Il trattamento termico di austempering viene comunemente applicato alle ghise sferoidale e, più raramente, su ghise grigie e acciai.

Che caratteristiche devono avere le ghise sferoidali as-cast?

Le ghise sferoidali as-cast, (cioè non trattate termicamente), non devono contenere carburi primari in misura tale da compromettere la funzione del getto, devono essere caratterizzate da sufficiente nodularità in rapporto allo spessore del getto e devono essere addizionate di leganti in misura sufficiente per evitare la trasformazione perlitica durante il raffreddamento che precede la tempra.

Che caratteristiche devono avere le ghise grigie as-cast?

Le ghise grigie as-cast non devono contenere carburi primari in misura tale da compromettere la funzionalità del getto, devono essere caratterizzate da buona forma e distribuzione delle lamelle in rapporto allo spessore del getto e devono essere addizionate di leganti in misura sufficiente per evitare la trasformazione perlitica durante il raffreddamento che precede la tempra.

Che caratteristiche devono avere gli acciai as-cast?

Anche gli acciai devono essere addizionati di leganti in misura sufficiente per evitare la trasformazione perlitica durante il raffreddamento che precede la tempra. Come accade per le ghise, anche negli acciai gli elementi aggiunti come leganti segregano nella fase di solidificazione (la concentrazione dell’elemento non è uniforme).

Mentre nelle ghise la disomogeneità delle concentrazioni è ripetuta nella distanza tra due sferoidi e/o lamelle contigui, negli acciai la distanza che guida il processo è quella tra i bracci secondari delle dendriti, come accade con le leghe di alluminio (SDAS, secondary dendrite arm spacing). Questa caratteristica limita gli spessori dei componenti di acciaio ai quali l’austempering può essere applicato, orientando le applicazioni più verso componenti ottenuti da grezzi siderurgici indefiniti che da getti di fonderia.

Origini e breve storia del trattamento termico di austempering

L’austempering degli acciai, con la completa trasformazione dell’austenite in bainite inferiore, era un trattamento noto già nei primi anni ’70, quando la fonderia Kimme Kimmene di Karkkila (Finlandia) avviò le pionieristiche sperimentazioni per la produzione di grossi ingranaggi in getti di ghisa sferoidale austemperata.

Alla fine degli anni ’70, il dr. Horst Muehlberger brevettò un procedimento per la fabbricazione delle ghise sferoidali austemperate (ADI) lavorabili meccanicamente, proprietà fino a quel momento non applicabile con il primo processo.

Nel 1982 Zanardi Fonderie stipulò un contratto di licenza con il dr.Muehlberger, iniziando la propria attività nel campo delle ghise sferoidali austemperate.

Nello stesso anno, Applied Process negli USA iniziò l’attività di trattamento termico di austempering su ghise sferoidali ed acciai.

Influenza di tempo e temperatura nell’austempering

Tra le variabili “chiave” del trattamento di austempering ci sono tempo e temperatura che influenzano il processo.

La variabile chiave dominante è il contenuto di Manganese, caratterizzante le tre differenti tecnologie originarie (Kimme Kimmene, Muehlberger, Applied Process).

La temperatura di austempering è scelta in funzione della durezza desiderata dopo il trattamento termico. Per una data temperatura di austempering e una data composizione chimica, esiste una temperatura ottimale di austenitizzazione. Temperature superiori a quella ottimale consentono un risparmio dei leganti necessari per evitare la trasformazione perlitica, però riducono la possibilità di ottenere austenite stabile in tempi ragionevoli, con pregiudizio per la lavorabilità e le caratteristiche meccaniche.

Il tempo di austempering deve essere sufficiente per rendere stabile l’austenite trasformata.

Il tempo di austenitizzazione, invece, deve essere sufficiente per la saturazione in carbonio dell’austenite primaria.