Il trattamento di tempra consiste in un brusco raffreddamento del metallo dopo averlo portato ad alta temperatura; così facendo, il numero di vacanze (e quindi di cluster, cioè raggruppamenti di difetti puntuali) che compete a tale temperatura è conservato a T ambiente: infatti l'elevata velocità di raffreddamento inibisce l'azione diffusiva atta al ripristino dell'equilibrio. Più in generale si può dire che la tempra, inibendo i processi diffusivi necessari alla stabilizzazione termodinamica, trasferisce a T ambiente uno stato termodinamicamente competente a T maggiore.
Un monocristallo così trattato ha resistenza meccanica maggiore rispetto al monocristallo raffreddato lentamente.

Grazie alla tempra, per esempio, si trasforma la struttura perlitica del ferro in martensitica: si porta il ferro da temprare a una temperatura di circa 50°C sopra quella di austenizzazione, segue poi un raffreddamento molto rapido fino a temperatura ambiente: non avendo così il tempo per diffondere, il carbonio rimane intrappolato all'interno della cella gamma, che si trasforma in cella alfa a temperatura ambiente; ciò fa si che si abbia una struttura tetraedrica che è appunto la struttura della tempra chiamata martensite.

Note. L'Acciaio con concentrazione di C superiore allo 0,3-0,5% presenta un alto livello di rischio di criccature. La presenza di elementi leganti rallenta la dissoluzione dei carburi durante l'austenitizzazione. L'uso di acciai legati in organi sollecitati a fatica o a flessione può essere pericoloso per il rischio di criccature ed è quindi sconsigliato se non indispensabile.

Tempra di soluzione o solubilizzazione

Si consideri una lega formata dal soluto B disciolto nella matrice A. Se la si riscalda fino a completa dissoluzione di B e poi la si raffredda bruscamente, di solito in acqua, fino a temperatura ambiente, si paralizzano gli atomi di B in condizioni metastabili, ottenendo una lega più tenera e plastica.
È applicata agli acciai inossidabili austenitici (ad esempio: AISI 304 o X5CrNi1810, AISI 316 o X5CrNiMo1712) per migliorare la resistenza alla corrosione: un raffreddamento lento, infatti, provocherebbe la separazione dei carburi di cromo ai giunti dei grani, con conseguente impoverimento sotto al 12% e corrosione intercristallina.
Nell'acciaio austenitico al manganese migliora la tenacità.

Tempra di durezza

É un trattamento termico che sopprime una trasformazione eutectoidica e conduce alla formazione di martensite per raffreddamento continuo. Considerando il grafico delle curve CCT, la velocità di raffreddamento in ogni punto del pezzo deve evitare l'incrocio con le curve in maniera da arrivare alla sola formazione di martensite.
Si deve quindi tenere presente che la curva di raffreddamento dipende da

• bagno di tempra
• caratteristiche termiche dell'acciaio
• caratteristiche geometriche del pezzo trattato

mentre le curve CCT dipendono da

• composizione dell'acciaio (ad esempio il carbonio le sposta a destra)
• dimensioni del grano
• inclusioni non metalliche, carburi, azoturi o segregazioni.

La profondità di tempra è rilevabile mediante due metodi, basati sul principio che la durezza dipende unicamente dalla quantità di martensite e dal tenore di carbonio.

• Diametro ideale. Si misura il diametro critico (diametro della barra che dopo tempra ha 50% di martensite al centro), ricavandolo dal diamentro ideale di una barra temprata in un bagno ideale di tempra, con indice di drasticità H infinito, grazie al diagramma proposto da Grossmann.
• Curva di Jominy. Un provino cilindrico viene temprato e raffreddato secondo un metodo standard, segue quindi la misurazione della durezza Rockwell C lungo il suo asse e la costruzione di un grafico durezza - distanza dall'estremo; quest'ultimo consente di valutare e confrontare la temprabilità di diversi acciai (ad esempio il 40CrMo4 è più temprabile del C40); la penetrazione di tempra è ricavabile nel momento in cui si conosce la durezza corrispondente al 50% di martensite.
  

É possibile ricavare i risultati del primo metodo da quelli del secondo, grazie a correlazioni standard codificate in normative ISO.

Ambiente di riscaldamento

Bisogna evitare l'ossidazione e la decarburazione del pezzo temprato. Si può quindi proteggerlo con:

• sostanze solide (trucioli di ghisa grigia, carbone), adatte in forni elettrici, per acciai al carbonio, basso-legati fino a 0,6% di C, ad alto cromo (ad esempio X210Cr13) e temperatura di tempra inferiore a 1050°C;
• sostanze liquide (sali fusi) per pezzi pregiati, ad esempio utensili da taglio o parti di macchine, in cui si richieda uniformità e precisione del riscaldamento;
• sostanza gassose (CO, CO₂, H₂, N₂, gas inerti) per trattamenti economici su larga scala; un caso particolare è il vuoto.

Velocità di riscaldamento

É necessaria gradualità per evitare criccature e tensioni termiche.

Temperatura di tempra

Bisogna porre attenzione ad alzare eccessivamente la temperatura (per aumentare la velocità di austenitizzazione) in quanto si rischiano surriscaldamento della grana cristallina, bruciatura dei bordi dei grani per l'infiltrazione di ossigeno, ossidazione, decarburazione, eccessiva fragilità della martensite ottenibile, austenite residua. Ciò premesso, la temperatura è di 30°C, 50°C, 70°C maggiore di Ac₃ a seconda che il mezzo di raffreddamento sia acqua, olio, aria.

Permanenza in temperatura

Il tempo di permanenza dipende dal grado desiderato di dissoluzione dei carburi:

• acciai da costruzione, al carbonio e basso-legati: pochi minuti
• acciai da costruzione medio legati: almeno 15 minuti
• acciai per utensili al carbonio e bassolegati: 0,5 minuti per mm di spessore, con un massimo di un'ora
• acciai alto-legati al cromo: 0,8 minuti al mm, con un massimo di un'ora
• acciai per lavorazioni a caldo: mezz'ora al massimo, data la scarsa quantità di carburi
• acciai rapidi: essi sono riscaldati alla più alta temperatura, quindi occorre limitare la permanenza al minimo (tempo dipendente dallo spessore)

Mezzo di tempra

Il fluido ottimale deve assicurare:

• elevata velocità di raffreddamento nell'intervallo A₁ - M_s per evitare la formazione di perlite o bainite;
• modesta velocità nell'intervallo M_s - M_f (comunque non troppo bassa per non creare eccessiva austenite residua); questa proprietà è proporzionale alla differenza tra la temperatura del fluido e il suo punto di ebollizione;
• il fluido non deve decomporsi al contatto con il metallo rovente.

I mezzi più usati sono acqua, olio, sali fusi e aria e sono classificati in base all'indice di severità H.

Si distinguono 3 stadi di raffreddamento per liquidi soggetti a ebollizione.

1. Al primo contatto del mezzo col pezzo si forma una pellicola di vapore (calefazione), con raffreddamento relativamente lento;
2. nel momento in cui essa si rompe, nuovo liquido tocca il pezzo, assorbe il calore latente di evaporazione e si raggiunge così la massima asportazione di energia;
3. al passaggio sotto alla temperatura di ebollizione, si ha un calo nell'asportazione di calore.

L'acqua è il mezzo di spegnimento più diffuso, soprattutto per acciai al carbonio e alcuni bassolegati, anche se non è certo il fluido ideale. La sua azione può essere migliorata con l'aggiunta di sostanze che ne innalzino il punto di ebollizione, per esempio con NaCl o NaOH.

L'olio minerale è adatto ad acciai basso e medio legati, cioè suscettibili di formare austenite stabile e quindi trasformabile con bassa velocità critica di tempra. Si avvicina maggiormente al fluido ideale, riducendo le tensioni interne e i difetti di tempra.

L'aria è consigliata per acciai alto legati e quelli basso e medio legati in pezzi complessi.

I sali fusi, adatti a pezzi non troppo grossi e di acciaio ben temprabile, eccellono soprattutto nei trattamenti isotermici sostitutivi della tempra.

Tempra ad induzione

Un corpo buon conduttore di elettricità, posto entro un campo magnetico alternato, si riscalda per effetto Joule grazie alle correnti indotte, permettendo di portare ad alta temperatura, e quindi austenitizzare, un oggetto di acciaio.
A causa dell'effetto pelle della corrente alternata, lo spessore dello strato riscaldato varia con la frequenza della corrente (ma dipende anche dalla conducibilità del materiale); industrialmente si utilizzano generatori a bassa frequenza (inferiore a 5 kHz), media frequenza (da 5 a 30 kHz) e alta frequenza (200 kHz); lo strato di materiale interessato dal riscaldamento è inversamente proporzionale alla frequenza generata (bassa frequenza corrisponde a strati più profondi).
Segue la fase di raffreddamento, in olio, acqua o soprattutto in una emulsione di acqua e polimero, localizzato o progressivo. Se il riscaldamento è localizzato, il raffreddamento può avvenire per immersione o spruzzamento; esempi di tempra localizzata sono: lame per forbici o falciatrici, taglienti di pinze troncatrici, vomeri, denti di ingranaggi e soprattutto pezzi ruotabili durante il riscaldamento.
La tempra progressiva comporta invece lo scorrimento del pezzo rispetto alla bobina e immediato raffreddamento della superficie in uscita. Il metodo è usato per guide di bancali, lame per seghetti, denti di ingranaggi di grandi dimensioni, alberi di trasmissione, steli per attuatori pneumatici, cuscinetti a rotolamento...
Ultima fase del processo è il rinvenimento ad induzione, a 160-200°C.
Per evitare criccature, gli acciai sottoponibili a tale trattamento sono gli acciai al carbonio o poco legati (39NiCrMo3) con C = 0,30-0,50% (classificabili negli acciai da bonifica) (eccezione: se la tempra deve raggiungere il cuore del pezzo, possono essere usati il 100Cr6 e il 100Cr4, ad esempio nei cuscinetti a rotolamento). La bonifica serve ad ottenere una struttura di partenza con carburi fini, che si disciolgano presto nell'austenite durante il veloce riscaldamento, e un cuore tenace; per motivi inversi si escludono gli acciai ricotti (carburi grossolani e cuore scarsamente tenace).

Tempra bainitica (austempering)

Essa rientra nei trattamenti di tempra isotermica. In breve, la sosta nel bagno termale, ad una temperatura poco superiore a M_s, porta alla completa trasformazione dell'austenite in bainite, ottenendo un materiale più tenace, meno tensionato e senza necessità di rinvenimento.

Patentamento

É una variante dell'austempering, consistente nel far passare con movimento continuo un filo di acciaio armonico all'interno di un bagno termale di piombo fuso a 500°C. Si ottiene perlite fine, adatta alla trafilatura.

Martempering

Il rinvenimento a bassa temperatura non elimina sempre adeguatamente cricche e distorsioni. Conviene ricorrere allora al martempering, cioè alla sosta isotermica a temperatura leggermente superiore a M_s, in un bagno di sali, per il tempo strettamente necessario a uniformare la temperatura del pezzo ma non sufficiente alla formazione di bainite. Segue il raffreddamento in aria e il rinvenimento. Vantaggi: formazione contemporanea di martensite, nessuna ossidazione o decarburazione se il raffreddamento finale avviene in atmosfera protettiva, maggiore tenacità a scapito di un po' di durezza. Svantaggi: maggiori costi di impianto, maggiore austenite residua.

Stato tensionale di un oggetto temprato

Le tensioni residue sono dannose in quanto possono provocare la criccatura e variazioni geometriche. Causa ne è sempre il gradiente termico.

Tensioni termiche. Sono determinate dalla contrazione non contemporanea di strato interno e strato esterno di un pezzo. Sono proporzionali alla drasticità del raffreddamento, alla temperatura di tempra e allo spessore, mentre sono inversamente proporzionali alla resistenza del metallo; particolarmente evidenti sono nei metalli privi di trasformazione di fase solida, come acciai al carbonio extradolci, inossidabili ferritici e austenitici.

Tensioni strutturali. La trasformazione dell'austenite in martensite, bainite o perlite comporta l'aumento del volume; dato che cuore e superficie non si trasformano contemporaneamente, nascono delle tensioni di trazione e compressione.

La situazione più favorevole vede la sollecitazione a compressione del guscio esterno e a trazione del cuore, attuando una sorta di "deformazione sferica" che non solo non presenta motivi di pericolo, ma anzi favorisce la resistenza a fatica e a flessione (dato che si sommano algebricamente ai carichi esterni).

Si considerino gli acciai legati: le loro curve CCT sono molto spostate a destra rispetto alle curve di raffreddamento e questo facilità la creazione di tensioni elastiche residue non adeguatamente distribuite. Pertanto il loro uso nel caso di organi sollecitati a fatica o a flessione deve essere adeguatamente valutato. Di solito migliore distribuzione delle tensioni residue risulta negli acciai al solo carbonio.

Si pone infine l'attenzione su ulteriori elementi da valutare al fine del contenimento delle tensioni di tempra: velocità di riscaldamento, percentuale di carbonio superiore allo 0,3 - 0,5%, ambiente di riscaldamento che possa provocare ossidazione o decarburazione, temperatura di tempra eccessiva che infragilisca la martensite prodotta, velocità di raffreddamento, austenite residua, bagno di tempra che non assicuri uniformità di temperatura (per gli acciai alto legati si consiglia l'aria calma).

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