I trattamenti termici (TT) dei metalli e leghe sono processi di lavorazione tecnologici che si realizzano seguendo specifici cicli di riscaldamento e raffreddamento, sempre inferiori alla temperatura di fusione, detti cicli termici che hanno la finalità di modificare una o più caratteristiche del metallo o lega sottoposto a TT, oppure di produrre effetti desiderati sullo stato di distribuzione delle sollecitazioni interne (tensioni) esistenti nel manufatto, realizzato con le più varie tecnologie costruttive.

Con i TT s’interviene principalmente per migliorare le caratteristiche meccaniche massive (ovvero dell’intera massa) o di porzioni limitate dell’oggetto, come quelle del riscaldo localizzato di alcune parti delle superfici seguite da tempra e distensione, o tramite cementazione delle superfici che prevede la diffusione pilotata di elementi chimici specifici, finalizzata a modificare la composizione chimica della superficie stessa, ed ottenere caratteristiche meccaniche non raggiungibili con un solo ciclo termico massivo. In questo caso parleremo di trattamenti termochimici, ovvero lavorazioni che sfruttano gli effetti dei cicli termici e della modificazione superficiale della composizione chimica del materiale in lavorazione. Se i cicli termici, senza alcuna modificazione intenzionale della composizione chimica, saranno invece limitati ad interessare le sole zone di superficie di un oggetto parleremo allora di trattamenti termici superficiali, come ne può essere d’esempio la tempra ad induzione degli acciai.

Quindi, per ricapitolare abbiamo le seguenti macro-famiglie di trattamenti termici:

• Trattamenti termici massivi;
• Trattamenti termici superficiali;
• Trattamenti termochimici o di cementazione.

Le tre categorie precedenti possono essere combinate fra loro e quindi un manufatto finale potrà complessivamente essere sottoposto a tutti e tre i tipi di lavorazione.

Come prima accennato, i trattamenti termici servono per migliorare alcune caratteristiche dei metalli. È doveroso precisare che il termine miglioramento non va letto esclusivamente in termini di “incremento” di una determinata caratteristica o proprietà della lega, come ad esempio la durezza o la sua resistenza a trazione, ma in senso più ampio dobbiamo intendere il miglioramento tecnologico, ovvero come miglioramenti non solo di caratteristiche ma anche di attitudini a lavorazione o applicazioni successive. Per esempio, l’incremento di lavorabilità alle macchine utensili con asportazione di truciolo s’ottiene principalmente con la riduzione di una caratteristica meccanica: la durezza. Quindi, in senso generico e salvo eccezioni, più bassa sarà la durezza migliore sarà la lavorabilità per asportazione di truciolo. La questione della lavorabilità purtroppo non si esaurisce semplicemente nella riduzione di durezza ma è tema assai più complesso e merita adeguati approfondimenti, non oggetto di questa breve introduzione.

Ritornando ai TT delle tre categorie precedenti ed indicando gli effetti cercati, possiamo riassumere brevemente di seguito i motivi per cui si eseguono queste lavorazioni:

• omogeneizzazione della composizione chimica di una lega per eliminare/ridurre macro o microsegregazioni;
• incremento delle caratteristiche meccaniche di resistenza e tenacità massive o localizzate;
• incremento della resistenza a fatica;
• miglioramento della resistenza all’usura;
• miglioramento della lavorabilità con asportazione di truciolo;
• miglioramento della lavorabilità per deformazione plastica a freddo ed a caldo;
• miglioramento della resistenza alla corrosione;
• eliminazione/riduzione degli effetti indesiderati di precedenti lavorazioni tecnologiche che hanno comportato cicli termici intenzionali (TT) o no, ma inevitabili (per esempio: taglio termico);
• modificazione delle proprietà magnetiche;
• modificazione in senso ampio di specifiche attitudini tecnologiche per lavorazioni successive od applicazioni dirette.
• eliminazione/riduzione degli stati di sollecitazione interni (tensioni e/o compressioni) indotti da precedenti lavorazioni o esistenti nel prodotto grezzo.

Come si esegue un trattamento termico?

Ne esistono moltissime tipologie, ma semplificando al massimo, un TT elementare e classico è generalmente composto da una fase di innalzamento della temperatura o riscaldamento; da una permanenza in temperatura o mantenimento e da un raffreddamento fino alla temperatura ambientale o a temperature criogeniche.

Permanenza e velocità di raffreddamento influenzano radicalmente l’esito del TT perché determinano le trasformazioni microstrutturali delle leghe, da cui dipendono tutte le proprietà finali.

La velocità di riscaldamento influisce soprattutto sulle tensioni indotte dalle dilatazioni termiche nel pezzo (rischio di deformazioni e/o rotture al riscaldo).

La velocità di raffreddamento è fondamentale per ottenere le trasformazioni microstrutturali desiderate e diventa critica per il rischio di deformazioni e/o rotture da raffreddamento.

Potremmo discorrere molto di come e perché s’eseguono i TT; infatti, esiste una corposa e dettagliata letteratura in merito, costituita da testi tecnico-scientifici, pubblicazioni di ricerche, norme e capitolati tecnici.

In seguito forniremo una breve sintesi dei possibili TT su metalli e leghe (tabella sinottica TT AQM), ma prima di concludere e passare ai dettagli è doveroso ricordare un concetto fondamentale: il trattamento termico è un processo speciale!

Si definisce “processo speciale” quella lavorazione i cui risultati non possono essere completamente accertati mediante successivi controlli, prove e collaudi non distruttivi sul prodotto e/o quando le caratteristiche del prodotto, conformi o non conformi al progetto, generate dal processo possono emergere soltanto durante l’uso del prodotto stesso.

Perciò un TT deve essere studiato, progettato, sperimentato e quindi validato prima di un’applicazione casuale, definendone preliminarmente le modalità d’esecuzione, di controllo finale ed i criteri d’accettabilità. Anche questo argomento è articolato, non banale ma importantissimo e merita doverosi approfondimenti, che daremo in seguito.

Eccovi dunque la tabella sinottica AQM dei trattamenti termici dei metalli ferrosi e non ferrosi principali (alluminio e rame). Essa contiene la descrizione di tutti i trattamenti termici eseguibili sui metalli con definizione dello scopo, a quali metalli e leghe si applicano, una breve sintesi del ciclo termico e le note relative alle necessarie attenzioni da dedicare per evitare errori o il non raggiungimento degli obiettivi.

Gabriele Ceselin

CEO & GM AQM srl