Acciaio austemperato

L’acciaio ausferritico e l’acciaio bainitico come soluzioni vincenti rispetto ai tradizionali acciai bonificati

Austempering dell’acciaio: la soluzione efficace per migliorare le proprietà degli acciai e ridurre i costi di trattamento

Ha senso distinguere le due tipologie di acciaio austemperato, ausferritico vs bainitico?
Entrambi sono stati studiati come alternativa alla bonifica degli stessi acciai. Cerchiamo di capire in cosa differiscono.

Come avviene per la ghisa sferoidale, anche per l’acciaio la prima fase del trattamento termico è l’austenitizzazione. Tuttavia, a differenza della ghisa sferoidale, durante l’austenitizzazione dell’acciaio, il contenuto di carbonio nella matrice corrisponde esattamente alla composizione chimica dell’acciaio stesso. Nella ghisa sferoidale, invece, il carbonio nella matrice si allinea con la curva di saturazione alla temperatura di austenitizzazione (Diagramma Fe-C). Tra acciaio ausferritico e bainitico gioca un ruolo chiave il Silicio.

Acciaio ausferritico

Un effetto simile a quello osservato nella matrice della ghisa sferoidale si può ottenere nell’acciaio solo sulla superficie esterna tramite la cementazione. Se un componente in acciaio viene mantenuto a una temperatura isoterma in un bagno di sali (a una temperatura superiore al Martensite Start – Ms), si sviluppa una reazione simile a quella della ghisa sferoidale, ma solo se l’acciaio contiene una quantità sufficiente di silicio (ad esempio, 1,6-2% come nell’acciaio 60Si7). Infatti, il silicio aumenta la mobilità del carbonio durante l’austempering, permettendogli di evitare la combinazione chimica con il ferro, ovvero permette di stabilizzare il reticolo dell’austenite arricchita di carbonio, impedendo la formazione di carburi. Questo consente di ottenere una struttura ausferritica anche nell’acciaio (ferrite aciculare e austenite stabilizzata dal carbonio), sebbene con una stabilità inferiore rispetto alla ghisa sferoidale a causa del minore tenore di carbonio disponibile nella matrice.

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L’acciaio ausferritico è particolarmente utile in componenti che richiedono una buona resistenza all’usura, un’ottima tenacità e resistenza agli urti, come gli utensili agricoli destinati a lavorare in terreni accidentati e con la presenza di pietrisco (es. Usato attrezzature agricole, lame, molle, balestre).

Proprietà statiche e Proprietà a fatica

Dati sperimentali di Zanardi Fonderie rilevati dall’acciaio austemperato 56SiCr7 (ausferritico).

Acciaio austemperato 56SiCr7
Rm [N/mm²]
Rp 0,2 [N/mm²]
As [%]
HRc range
Valori guida
Kv 23°C
[J]
σA50% r.b liscio
[Mpa]
NATURALE
1080
650
11
33
5
600
BONIFICATO
1600
1350
8
50
8
630
AUSTEMPERATO (ausferritico)
1500
1200
9
50
30
650
BENCHMARK 42CrMo4 BONIFICATO
1100
850
14
35
60
440

Spessore [mm] t ≤ 25 mm
[1] Proprietà a fatica ottenute tramite test di flessione rotante (R=-1) su provini lavorati Ø6,5 mm ottenuti da provette Lynchburg colate separatamente di Tipo I secondo lo standard ISO17804. Configurazione del test di fatica secondo ISO1143; calcolo della vita a termine secondo ASTM E739-91 e Hertzberg “q”; limite di fatica ottenuto tramite il metodo short staircase di Brownlee-Hodges-Rosenblatt.
[2] Proprietà di fatica ottenute da campioni di ingranaggi singoli colati. Test di fatica secondo ISO6336..

Il trattamento termico di austempering ha indotto la formazione di microstrutture molto fini che hanno determinato incrementi fino al 180% della resistenza del materiale a parità di allungamento a rottura rispetto allo stesso acciaio allo stato naturale e un incremento sensibile della resilienza a temperatura ambiente fino al 600% rispetto al materiale allo stato naturale, osservato anche alle più basse temperature di prova (-20 e -40 °C). I dati ottenuti mostrano che gli acciai ad alto contenuto di silicio possono essere sottoposti a trattamento di austempering, che permette di incrementarne sia le proprietà resistenziali sia la duttilità e la tenacità.

Che cos’è la bainite e che differenza c’è rispetto alla ausferrite?

Se nell’acciaio non è presente una quantità di silicio sufficiente a garantire una buona mobilità del carbonio, quest’ultimo è costretto a combinarsi chimicamente con il ferro formando carburi. La miscela fine e uniforme di ferrite aciculare e lamelle di carburi viene chiamata bainite, dal nome del suo scopritore (Bain), che, non avendo microscopi ad alta risoluzione, non riusciva a distinguere separatamente le due fasi. La bainite ha una composizione chimica simile a quella della perlite, ma si differenzia per le dimensioni più ridotte delle sue fasi costituenti.

Acciaio Bainitico

L’acciaio bainitico è utilizzato in componenti che richiedono una buona resistenza all’usura combinata con resistenza alla fatica, come, per esempio, lame per tosaerba, clip e morsetti, lame per tagliare e miscelare, ingranaggi di trasmissione, piastre ondulate e punte per aerazione del prato (suole, scarpette, attrezzature agricole).

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Acciaio austemperato 27MnB5
Rm [N/mm²]
Rp 0,2 [N/mm²]
As [%]
HRc range
Valori guida
Kv 23°C
[J]
σA50% r.b liscio
[Mpa]
NATURALE
800
6550
14
25
15
360
BONIFICATO
1100
750
14
30
40
-
AUSTEMPERATO (bainitico-martensitico)
1200
1000
12
40
60
430
BENCHMARK 42CrMo4 BONIFICATO
1100
850
14
35
60
440

Spessore [mm] t ≤ 25 mm
[1] Proprietà a fatica ottenute tramite test di flessione rotante (R=-1) su provini lavorati Ø6,5 mm ottenuti da provette Lynchburg colate separatamente di Tipo I secondo lo standard ISO17804. Configurazione del test di fatica secondo ISO1143; calcolo della vita a termine secondo ASTM E739-91 e Hertzberg “q”; limite di fatica ottenuto tramite il metodo short staircase di Brownlee-Hodges-Rosenblatt.
[2] Proprietà di fatica ottenute da campioni di ingranaggi singoli colati. Test di fatica secondo ISO6336..

Lo studio ha confermato la possibilità di ottenere una struttura ad alta resistenza e tenacità per l’acciaio 27MnCrB5 sottoposto al trattamento termico di austempering. I dati ottenuti mostrano che i campioni sottoposti a tempra bainitica presentano migliori risultati in termine di tensione di snervamento, resistenza a trazione, durezza e resilienza rispetto ai campioni sottoposti a bonifica. Rispetto allo stesso materiale bonificato è stato possibile incrementare:

  • fino al 30% la resistenza a rottura
  • fino al 50% la resilienza sia a bassa che a temperatura ambiente
  • con riduzione modesta dell’allungamento a rottura

In conclusione

Per entrambe le tipologie di acciaio austemperato, ausferritico e bainitico, l’austempering può essere utilizzato in sostituzione del tradizionale trattamento di bonifica ottenendo un incremento delle proprietà del materiale base e una riduzione dei costi di trattamento.

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