CH648061A5 - Procedimento per il trattamento termico di un pezzo di lavoro di acciaio che elimina sostanzialmente le incrinature da raffreddamento e la distorsione da raffreddamento. - Google Patents

Description

La presente invenzione riguarda un procedimento per il trattamento termico di un pezzo di lavoro di acciaio che elimina sostanzialmente le incrinature da raffreddamento e la distorsione da raffreddamento.

L'austenitizzazione, il raffreddamento rapido e il rinvenimento costituiscono un procedimento di trattamento termico ben noto degli acciai. Questo trattamento viene impiegato principalmente per rinforzare e rendere tenaci gli acciai, in maniera tale che essi possano essere impiegati per parti fortemente sollecitate durante il loro servizio. In generale, la fase di austenitizzazione viene attuata tramite riscaldamento dell'acciaio in un forno mantenuto ad una temperatura maggiore della temperatura A3. L'acciaio viene mantenuto nel forno per un periodo di tempo sufficiente a garantire che l'intero carico del forno abbia ad essere completamente austenitizzato.

Dopo che l'acciaio è stato completamente austenitizzato, esso viene raffreddato in acqua, olio, sali fusi, o qualche s altro mezzo appropriato in maniera tale che nell'acciaio viene a formarsi una struttura predominantemente martensitica. Frequentemente, durante la fase di rapido raffreddamento, nell'acciaio si formano incrinature a causa di sollecitazioni di trasformazione termiche generate dall'effet-ìo to di rapido raffreddamento. Questo fenomeno viene chiamato «incrinatura da raffreddamento». L'incrinatura da raffreddamento costituisce perciò un effetto deleterio del trattamento termico convenzionale, poiché esso ha natura imprevedibile e si traduce in costi elevati. Per ridurre le 15 incrinature da raffreddamento, è frequentemente necessario impiegare un mezzo di raffreddamento più blando come ad esempio olio invece di acqua. L'impiego di un mezzo di raffreddamento più blando significa che non sarà ottenuto il pieno potenziale di indurimento di una data lega. Nonostan-20 te l'impiego di questa precauzione, le incrinature da raffreddamento si verificano ancora molto frequentemente.

Un altro fenomeno indesiderabile associato con la fase di raffreddamento nel trattamento termico convenzionale è la distorsione o deformazione del pezzo di lavoro. Sollecitazio-25 ni termiche e di trasformazione indotte dal raffreddamento fanno si che il pezzo di lavoro abbia a distorcersi o variare di forma. Tale problema è particolarmente sintetico per barre, aste o tubi di grande lunghezza, in cui tale distorsione è frequentemente sotto forma di una piegatura o ingobbatura 30 del pezzo di lavoro. I pezzi di lavoro «curvati» o ripiegati sono difficili da trattare nelle fasi di trattamento successive, e, da ultimo, il pezzo di lavoro deve essere «raddrizzato». La soluzione convenzionale per minimizzare gli effetti della distorsione da raffreddamento è quella di impiegare un 35 mezzo di raffreddamento più blando.

Dopo che l'acciaio è stato raffreddato, esso è generalmente troppo duro e fragile da poter risultare commercialmente utile. Conseguentemente, esso deve essere sottoposto a rinvenimento per produrre un prodotto avente la desidera-40 ta combinazione di proprietà meccaniche. Questo rinvenimento viene solitamente attuato in forni di grandi dimensioni, che sono mantenuti a temperature al di sopra della temperatura A1.1 pezzi di lavoro sono caricati in un forno e mantenuti in detto forno finché l'intera carica del 45 forno non raggiunge la temperatura desiderata. Quindi essi vengono tolti dal forno e fatti raffreddare. La esatta temperatura di rinvenimento selezionata dipende dalle proprietà meccaniche desiderate nel pezzo di lavoro finito. In generale, la resistenza dell'acciaio diminuisce con l'aumento so della temperatura di rinvenimento, mentre la duttilità e la tenacità dell'acciaio migliorano con l'aumento della temperatura di rinvenimento.

Una volta che l'acciaio è stato austenitizzato, rapidamente raffreddato o temprato e sottoposto a rinvenimento ss impiegando tecniche convenzionali, esso deve essere ulteriormente trattato per rimuovere gli effetti indesiderabili del trattamento termico tra cui vanno annoverati: l'ossido che si è formato sulla superficie dell'acciaio, la decarburazione della superficie di detto acciaio e la distorsione da raffredda-60 mento. Durante la fase di austenitizzazione nel trattamento termico, l'acciaio è esposto ad alte temperature per un lungo periodo di tempo. Frequentemente ciò fa sì che il carbonio abbia a reagire con l'atmosfera del forno, e si traduce in un impoverimento di carbonio nella superficie dell'acciaio. 65 Questa zona impoverita in carbonio viene chiamata «lo strato decarburato» e deve spesso essere rimossa dalla superficie dell'acciaio prima di poter conformare il pezzo di lavoro in una parte utile. Solitamente, rettificatura oppure

3

648 061

tornitura sono impiegate per rimuovere lo strato superficiale decarburato, e questi procedimenti sono molto costosi.

Un altro problema associato con il trattamento termico convenzionale è la formazione di ossido sulla superficie dell'acciaio. Una volta che la superficie dell'acciaio è stata decarburata, sull'acciaio si formano scorie o scaglie d'ossido. Tali scaglie di ossido sono generalmente abbastanza dure e abrasive e devono essere rimosse dall'acciaio prima di intraprendere qualsiasi successiva fase di trattamento. Le scaglie d'ossido possono essere rimosse o tramite mezzi meccanici oppure tramite mezzi chimici ma, in entrambi i casi, si ha a che fare con costi addizionali. Per evitare il problema della formazione delle scaglie può essere impiegata una atmosfera di protezione, ma, tuttavia, i costi delle atmosfere di protezione sono elevati.

Da ultimo, qualsiasi distorsione da raffreddamento verificatasi durante il trattamento termico deve essere corretta prima che il pezzo di lavoro possa essere conformato in una parte utile. Per pezzi di lavoro di grande lunghezza,

come ad esempio barre, aste, tubi, il provvedimento di correzione normale è il raddrizzamento meccanico. Parti di piccole dimensioni devono essere rettificate o lavorate sino alle dimensioni finali desiderate, per compensare la distorsione da raffreddamento o tempra. In ogni caso, il costo relativo alla correzione della distorsione da raffreddamento o tempera è relativamente elevato.

Come si è già detto, la tecnica nota ha attuato procedimenti di trattamento termico impiegando forni di grandi dimensioni. Proprio le dimensioni di questi forni, nei termini dello spazio utile occupato, e dell'investimento di capitali richiesto, rappresentano un inconveniente notevole relativo al loro impiego. Come è ben noto agli esperti del ramo, vi sono parecchi ulteriori inconvenienti associati con l'impiego di forni di trattamento termico convenzionali. In primo luogo, l'efficienza di riscaldamento del forno è generalmente abbastanza bassa, con il risultato che i sempre crescenti costi dei combustibili rendono desiderabile provvedere mezzi più efficienti per riscaldare l'acciaio. In aggiunta, il riscaldamento del forno ha luogo mediante radiazione, o irraggiamento, conduzione e convezione, richiedendo così lunghi cicli per garantire che l'intera carica di acciaio nel forno abbia ad essere sottoposta a trattamento uniforme in un dato ciclo di riscaldamento. Questi cicli prolungati sono di per sè stessi svantaggiosi, e a causa delle elevate temperature impiegate richiedono l'uso di una atmosfera non ossidante nota (cioè una atmosfera di protezione o vuoto), il che richiede ulteriore apporto energetico. La alternativa è quella di consentire ai pezzi di lavoro di ossidarsi durante il trattamento, e quindi pulire i pezzi di lavoro stessi dopo il trattamento termico.

Un ulteriore inconveniente del riscaldamento in forno è correlato al controllo della temperatura della carica entro il forno. Il controllo o sorveglianza diretto/a della temperatura della carica del forno è difficile, e solitamente, per controllare o sorvegliare la temperatura del forno, piuttosto che la temperatura della carica stessa, sono impiegate termocoppie. Inoltre, la temperatura sull'esterno della carica del forno è tipicamente diversa da quella al centro della carica. Conseguentemente, per minimizzare questa differenza, vengono impiegati lunghi tempi di «imbibizione o assorbimento». L'inconveniente della mancanza di controllo sulla temperatura della carica del forno durante il riscaldamento del forno è che la carica non viene riscaldata uniformemente o durante la fase di austenitizzazione oppure durante la fase di rinvenimento del trattamento termico. Questa mancanza di controllo contribuisce a una scarsa uniformità del prodotto.

È già stato proposto, come ad esempio descritto nei brevetti statunitensi N° 3 908 431,4 040 872 e 4 088 511 di trattare gli acciai impiegando vari cicli termici mediante l'impiego di tecniche di riscaldamento a resistenza elettrica dirette. Queste tecniche presentano il vantaggio di fornire un riscaldamento estremamente rapido dei pezzi di lavoro di acciaio, con elevati rendimenti o elevate efficienza, fra cui riscaldamento uniforme attraverso l'intera sezione trasversale del pezzo di lavoro. Un ulteriore vantaggio è costituito dal fatto che la temperatura di ciascun pezzo di lavoro può essere facilmente controllata o sorvegliata in maniera tale che può essere fornito un prodotto molto uniforme.

Il riscaldamento a resistenza elettrica diretto è stato impiegato in un procedimento di trattamento termico alquanto simile descritto nel brevetto statunitense N° 4 040 872. In questo procedimento, un acciaio al carbonio viene riscaldato rapidamente mediante riscaldamento diretto a resistenza elettrica sino ad una temperatura maggiore della temperatura A3 e raffreddato rapidamente o temprato per produrre una microstruttura con proprietà singolari. Questa microstruttura è costituita da una miscela di ferrite proeutettoide aciculare e di un aggregato finemente suddiviso di ferrite e carburo di ferro. Questo procedimento evita la tempra o rapido raffreddamento dell'acciaio per formare una struttura completamente martensitica.

Perciò, uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un procedimento perfezionato per l'austenitizzazio-ne, il rapido raffreddamento o tempra e il rinvenimento di acciai. Uno scopo più specifico della presente invenzione è quello di fornire un procedimento perfezionato per il trattamento termico di acciai il quale sia in grado di eliminare sostanzialmente il problema delle incrinature da tempra, minimizzare il problema della distorsione da tempra, impedire una quantità di decarburazione significativa dell'acciaio durante il trattamento termico, e minimizzare la quantità di scaglie d'ossido che si formano sulla superficie dell'acciaio, rendendo nel contempo possibile di sfruttare la completa potenzialità di indurimento dell'acciaio stesso.

Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire acciai aventi un elevato grado di uniformità, come pure duttilità, tenacità e resistenza a fatica migliorate.

Questi scopi vengono raggiunti mediante la combinazione delle fasi di procedimento indicata nella rivendicazione 1. Sviluppi vantaggiosi del procedimento si danno dalle rivendicazioni dipendenti.

L'invenzione viene descritta più precisamente in seguito. Si riferisce alle figure dei disegni, che rappresentano:

La figura 1 è un'illustrazione schematica della apparecchiatura impiegata per trattare termicamente pezzi di lavoro allungati secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 2 è una illustrazione schematica dell'apparecchiatura impiegata per trattare pezzi di lavoro di piccole dimensioni, specificatamente per comparare il trattamento termico secondo i concetti della presente invenzione e tramite mezzi convenzionali;

La figura 3A è una fotografia illustrante pezzi di lavoro trattati in forno di acciaio 4150 nella condizione come temperata;

La figura 3B è una fotografia illustrante pezzi di lavoro di acciaio 4150 nella condizione come temprata, i quali sono stati trattati secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 4A è una fotografia della superficie di uno dei pezzi di lavoro illustrati nella figura 3A, con un ingrandimento di 4X;

La figura 4B è una fotografia della superficie di uno dei pezzi di lavoro illustrati nella figura 3B, con un ingrandimento di 4X;

La figura 5A è una fotografia illustrante pezzi di lavoro trattati in forno di acciaio 6150 nella condizione come temprata;

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

648 061

4

La figura 5B è una fotografia illustrante pezzi di lavoro di un telaio 6150 nella condizione come temprata, che sono stati trattati secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 6A è una fotografia della superficie di uno dei pezzi di lavoro illustrati nella figura 5A con un ingrandimento di 4X;

La figura 6B è una fotografia della superficie di uno dei pezzi di lavoro illustrati nella figura 5B con un ingrandimento di 4X;

La figura 7 è un grafico della resistenza tensile e allungamento rispetto alla temperatura di rinvenimento, essendo rappresentati dati ottenuti da dieci colate di acciaio, questo grafico illustrando la dispersione nelle proprietà meccaniche da colata a colata tipica che è conseguenza di un trattamento secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 8 è un grafico della resistenza tensile rispetto alla temperatura di rinvenimento per una varietà di acciai a medio tenore di carbonio, che sono stati trattati secondo i concetti della presente invenzione, la versatilità della presente invenzione essendo dimostrata da tale grafico;

La figura 9 è un grafico della resistenza tensile rispetto alla temperatura di rinvenimento per ulteriori acciai a medio tenore di carbonio che sono stati trattati secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 10A è una fotografia di vari pezzi di lavoro di grande lunghezza nella condizione come temprati, illustrante grave distorsione da tempra;

La figura 10B è una fotografia dei medesimi pezzi di lavoro di grande lunghezza illustrati nella figura 10A, ma in cui tali pezzi di lavoro sono stati temprati secondo i concetti della presente invenzione, essendo dimostrata l'eliminazione della distorsione da tempra;

La figura 11 è un grafico dell'allungamento rispetto alla resistenza tensile, che illustra la duttilità superiore dell'acciaio trattato secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 12A è una microfotografia illustrante la decarburazione superficiale di un campione trattato in forno;

La figura 12B è una microfotografia che illustra la mancanza di decarburazione di un campione che è stato trattato secondo i concetti della presente invenzione;

La figura 13 è un grafico della durezza Vickers rispetto alla profondità al di sotto della superficie per due campioni trattati termicamente.

I concetti della presente invenzione consistono nella scoperta che molti dei problemi associati con il trattamento termico convenzionale di austenitizzazione, tempra e rinvenimento possono essere eliminati o significativamente ridotti tramite l'impiego di riscaldamento rapido. È stato scoperto che le incrinature da tempra possono essere virtualmente eliminate se viene impiegata austenitizzazione rapida. Inoltre, si è trovato che l'austenitizzazione rapida impiegando riscaldamento diretto a resistenza elettrica riduce notevolmente la distorsione da tempra. L'austenitizzazione rapida riduce pure la quantità di ossido che si forma sulla superficie dell'acciaio durante il trattamento termico, e minimizza la decarburazione dell'acciaio. Da ultimo, si è scoperto che qualsiasi distorsione da tempra che si verifica può essere virtualmente eliminata tramite l'applicazione delle sollecitazioni appropriate durante la fase di rinvenimento nel trattamento termico.

Un pezzo di lavoro di acciaio, preferibilmente avente sezione trasversale ripetentesi, viene sottoposto alle fasi di riscaldamento rapido, sino ad una temperatura maggiore della temperatura A3 per l'acciaio, per convertire l'acciaio in austenite. Successivamente, il pezzo di lavoro di acciaio viene raffreddato rapidamente o «temprato» in un mezzo di raffreddamento liquido per convertire l'austenite cosi formata in una microstruttura predominantemente martensitica. In questa condizione, il pezzo di lavoro è fortemente sollecitato. Nell'ultima fase, l'acciaio viene sottoposto a rinvenimento sottoponendo il pezzo di lavoro a tensione, e nel contempo riscaldandolo rapidamente ad una temperatura al di sotto della temperatura Aj dell'acciaio per cui l'acciaio viene convertito in una microstruttura martensitica rinvenuta.

Senza voler limitare la presente invenzione dal punto di vista teorico, si ritiene che il ciclo di rapida austenitizzazione impiegato dalla presente invenzione elimini virtualmente il problema delle incrinature da tempra or rapido raffreddamento, poiché durante il breve ciclo di austenitizzazione vi è un tempo insufficiente a determinare infragilimento di elementi - e a farli diffonderli alle frontiere dei granuli austenitici così da provocare infragilimento delle frontiere o linee di demarcazione dei granuli o grani. È ben noto che le incrinature da tempra sono un fenomeno di frontiera dei grani. Quando sono impiegati trattamenti di austenitizzazione in forno convenzionale, la carica del forno viene sottoposta ad una temperatura maggiore della temperatura A! per prolungati periodi di tempo per garantire che l'intera carica del forno abbia a raggiungere la temperatura appropriata prima del rapido raffreddamento. Conseguentemente, vi è tempo sufficiente perchè i vari elementi abbiano a diffondere alle frontiere dei grani austenitici, così da rimanere qui segregati. Si è trovato che elementi di infragilimento noti come ad esempio zolfo, fosforo, stagno e antimonio subiscono segregazione in corrispondenza delle frontiere dei grani austenitici durante i trattamenti di austenitizzazione in forno convenzionali. Inoltre, altri elementi come ad esempio cromo, nickel e manganese subiscono pure segregazione in corrispondenza delle linee di demarcazione o «frontiere» dei granuli austenitici, e questi elementi possono anche essi influenzare le incrinature da raffreddamento.

Il riscaldamento diretto a resistenza elettrica rende possible riscaldare molto rapidamente l'acciaio, e il tempo al di sopra della temperatura A1 è insufficiente a consentire il verificarsi di una notevole quantità di segregazione della zona di delimitazione o frontiera dei granuli o grani. Quindi le frontiere o linee di delimitazione dei grani rimangono «forti», o robuste, e l'incrinatura durante la tempra o rapido raffreddamento è virtualmente eliminata.

Si ritiene pure che il riscaldamento diretto a resistenza elettrica renda possibile il ridurre il livello di distorsione nei pezzi di lavoro che si verifica in conseguenza del trattamento termico convenzionale. Quando l'acciaio viene riscaldato in un forno, il riscaldamento è non uniforme poiché il calore deve penetrare nella carica del forno dall'ambiente del forno stesso. In conseguenza di questo riscaldamento non uniforme, sollecitazioni termiche si sviluppano nei pezzi di lavoro, le quali sollecitazioni possono determinare distorsione o deformazione. In aggiunta, la carica del forno può deformarsi a causa del suo proprio peso, distorcendo così i pezzi di lavoro. In aggiunta, la massa della carica del forno può impedire ad alcuni pezzi di lavoro di espandersi liberamente quando essi vengono riscaldati, e ciò può determinare distorsione addizionale. In conseguenza di questi fenomeni, i pezzi di lavoro sono alquanto deformati quando essi vengono rimossi dal forno e, durante il rapido raffreddamento,

tale distorsione viene aumentata.

Quando viene impiegato riscaldamento diretto a resistenza elettrica al posto del riscaldamento in forno, la distorsione del pezzo di lavoro può essere minimizzata. Durante il riscaldamento diretto a resistenza elettrica, il pezzo di lavoro può essere mantenuto sotto «tensione» così da consentire dilatazione o espansione libera, e può essere soddisfacentemente supportato lungo la sua lunghezza così

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

648 061

da impedire deformazione o incurvatura. Poiché viene riscaldato solo un pezzo di lavoro alla volta, il peso di altri pezzi di lavoro non contribuisce alla distorsione. In aggiunta, il riscaldamento a resistenza elettrica diretto è uniforme sia attraverso la sezione trasversale che lungo la lunghezza del pezzo di lavoro. Conseguentemente, le sollecitazioni termiche sono piccole, e la distorsione dovuta alle sollecitazioni termiche viene eliminata. Poiché il pezzo di lavoro austenitizzato è inviato nei mezzi di raffreddamento con distorsione minima, durante il raffreddamento stesso o tempra ha luogo una minor distorsione. Quindi, il riscaldamento a resistenza elettrica diretto rende possibile minimizzare la dispersione che si verifica durante l'austenitizzazione ed il raffreddamento di pezzi di lavoro di acciaio.

Ancora un altro vantaggio relativo all'impiego del riscaldamento a resistenza elettrica diretto è che qualsiasi distorsione che si verifica durante le fasi di austenitizzazione e raffreddamento del processo può essere notevolmente ridotta durante la fase di rinvenimento. Si è scoperto che il livello di distorsione in pezzi di lavoro allungati può essere effettivamente ridotto durante il rinvenimento se il pezzo di lavoro è mantenuto in tensione durante l'intero processo di riscaldamento. La sollecitazione di tensione richiesta per provocare raddrizzamento è molto minore delle sollecitazio-s ni di snervamento dell'acciaio. Questo procedimento di «raddrizzamento» durante il ciclo di rinvenimento è stato chiamato «raddrizzamento da rinvenimento» e si ritiene che esso sia determinato dalla ridistribuzione preferenziale delle sollecitazioni residue nell'acciaio durante gli stadi di rinveni-io mento preliminari.

In aggiunta all'eliminare molti dei problemi associati con il trattamento termico convenzionale, la presente invenzione consente pure di ottenere un acciaio trattato termicamente di qualità migliorata. Prove hanno rivelato che i prodotti 15 ottenuti secondo i concetti della presente invenzione possiedono uniformità migliorata rispetto a prodotti ottenuti con mezzi convenzionali. Si sono pure osservati miglioramenti di duttilità, tenacità e resistenza a fatica. Acciai rappresentativi che possono essere impiegati secondo i concetti della presen-20 te invenzione sono illustrati nella tabella seguente:

Tabella 1

Analisi chimica di acciai commerciali

Colata Tipo Diametro C Mn p S Si Ni Cr Mo Cu Al Altri (mm) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) %

A

4150

26.1

0,51

1,05

0,008

0,031

0,26

0,05

0,84

0,18

0,07

0,020

Te-0,045

B

6150

27.1

0,50

0,80

0,007

0,023

0,28

0,17

0,93

0,06

0,10

0,015

V-0,12

C

4142

15.1

0,39

0,85

0,007

0,022

0,24

0,02

0,86

0,17

0,01

0,043

Se-0,025

D

4142

25.2

0,41

0,93

0,014

0,039

0,27

0,17

0,98

0,15

0,03

0,027

Te-0,045

E

4140

25,3

0,39

0,90

0,007

0,010

0,40

0,14

1,07

0,17

0,01

0,010

F

41L40

27,0

0,42

0,92

0,010

0,026

0,23

0,16

0,97

0,16

0,11

0,026

Pb-0,19

G

4140

28,6

0,42

0,96

0,010

0,020

0,29

0,20

1,09

0,18

0,13

0,029

H

4145

42,9

0,46

0,78

0,010

0,029

0,29

0,12

0,92

0,16

0,11

0,035

Te-0,042

I

4140

50,8

0,40

0,91

0,007

0,021

0,22

0,21

0,95

0,17

0,12

0,020

J

4142

52,8

0,44

1,01

0,009

0,024

0,28

0,02

0,99

0,19

0,02

0,058

Se-0,031

K

4142

61,9

0,41

0,89

0,012

0,023

0,26

0,02

0,90

0,19

0,02

0,041

Se-0,033

L

4145

88,9

0,46

0,97

0,009

0,022

0,22

0,05

1,07

0,20

0,03

0,042

Se-0,039

M

4340

33,4

0,40

0,72

0,010

0,022

0,18

1,73

0,85

0,20

0,14

0,023

N

1144

15,9

0,44

1,66

0,005

0,264

0,19

0,01

0,05

0,01

0,14

0,000

O

1045

19,1

0,44

0,82

0,015

0,011

0,17

0,02

0,03

0,01

0,01

0,025

P

8640

27,0

0,41

1,03

0,009

0,036

0,28

0,46

0,59

0,18

0,04

0,038

Q

5130

22,2

0,32

0,98

0,007

0,034

0,31

0,09

0,83

0,02

0,04

0,020

R

1541

26,2

0,39

1,39

0,015

0,011

0,16

0,02

0,02

0,01

0,01

0,026

S

4032

22,6

0,33

0,77

0,010

0,012

0,21

0,20

0,13

0,23

0,01

0,050

T

10B21

27,0

0,21

0,98

0,011

0,017

0,28

0,02

0,24

0,01

0,04

0,031

B-0,0029

U

4130

38,1

0,29

0,47

0,013

0,014

0,23

0,02

0,86

0,18

0,01

0,028

V

4142

25,3

0,41

0,79

0,022

0,009

0,26

0,02

1,01

0,18

0,02

0,032

W

4142

25,3

0,43

1,04

0,011

0,034

0,23

0,04

1,01

0,17

0,04

0,033

Se-0,037

X

1085

16,6

0,85

0,72

0,007

0,018

0,17

0,03

0,07

0,01

0,02

0,025

Y

52100

27,0

0,98

0,42

0,010

0,025

0,22

0,08

1,42

0,03

0,04

0,024

1 pollice = 25,4 mm

Preferibilmente l'acciaio è sotto forma di un pezzo di lavoro che può essere riscaldato separatamente, in maniera tale che il procedimento di riscaldamento può essere controllato con precisione. A tal fine, è frequentemente preferito impiegare pezzi di lavoro in una forma aventi una sezione trasversale ripetentesi come ad esempio barre, aste, tubi e simili. Preferibilmente i pezzi di lavoro individuali sono rapidamente riscaldati tramite riscaldamento a resistenza elettrica diretto, mentre la temperatura del pezzo di lavoro viene controllata tramite un dispositivo sensore adatto. La rapidità nel procedimento di riscaldamento, oltre a consentire il trattamento economico di grandi quantità di pezzi di lavoro, fa sì che la trasformazione di austenitizzazione abbia a procedere molto rapidamente. Il metodo maggiormente

55 preferito per attuare un riscaldamento rapido è descritto dettagliatamente nel brevetto statunitense N° 3 908 431 a nome Jones e altri (qui incluso a titolo di riferimento), il quale comporta una procedura in cui - una corrente elettrica è fatta passare attraverso il pezzo di lavoro di acciaio; la 6o resistenza elettrica del pezzo di lavoro al flusso di corrente elettrica determina rapido riscaldamento del pezzo di lavoro in modo uniforme attraverso tutta la sua sezione trasversale.

Nel procedimento della presente invenzione è critico il fatto che il riscaldamento del pezzo di lavoro per convertire 65 l'acciaio in austenite sia eseguito rapidamente, ossia il periodo di tempo in cui l'acciaio viene mantenuto al di sopra della temperatura A1 dovrà essere minore di cinque minuti. Preferibilmente la austenitizzazione dell'acciaio mediante

648 061

6

riscaldamento a resistenza elettrica diretto viene attuato in un tempo di riscaldamento totale che varia da cinque a cento secondi, il periodo di tempo in cui l'acciaio è fatto permanere al di sopra della temperatura A1 essendo solitamente minore di quaranta secondi.

Secondo il modo di attuazione pratico della presente invenzione, il pezzo di lavoro di acciaio viene dapprima caricato in contatti elettrici e saldamente serrato. Quindi viene eccitata la corrente elettrica, e il pezzo di lavoro viene rapidamente riscaldato sino alla temperatura di austenitizzazione. La temperatura viene controllata o sorvegliata impiegando un pirometro a radiazione standard. Dopo che è stata raggiunta la temperatura di austenitizzazione appropriata, la corrente viene volta e il pezzo di lavoro viene disimpegnato.

Quando l'acciaio viene rapidamente riscaldato, come è stato descritto precedentemente, è necessario riscaldare l'acciaio a temperature maggiori di quelle che sono richieste per il trattamento in forno. Ad esempio, la lega 4140 può essere completamente austenitizzata in un forno che è mantenuto a 843 °C ma il tempo richiesto per garantire completa austenitizzazione dovrà essere di varie ore. Il medesimo acciaio può essere completamente austenitizzato in meno di un minuto impiegando riscaldamento a resistenza elettrica diretto, ma l'acciaio deve essere riscaldato a 927 °C invece che a 843 °C. Questa relazione di tempo-temperatura per la austenitizzazione dell'acciaio è un risultato diretto della dipendenza della diffusione del carbonio sia dal tempo che dalla temperatura. Essa è un fenomeno che è ben noto agli esperti del ramo.

Dopo che il pezzo di lavoro è stato completamente austenitizzato ad una temperatura di austenitizzazione appropriata, esso viene rimosso dalla stazione di riscaldamento e caricato immediatamente in un dispositivo di rapido raffreddamento. In questo dispositivo esso viene rapidamente raffreddato ad una temperatura prossima a quella del bagno di raffreddamento o tempra, e nell'acciaio si forma una struttura predominantemente martensitica. Il pezzo di lavoro temprato o indurito viene quindi caricato su una tavola di ritenuta.

Secondo la pratica preferita della presente invenzione, è impiegato un mezzo di «severo» raffreddamento. I mezzi di rapido raffreddamento sono convenzionalmente classificati tramite un fattore che viene chiamato «severità» di raffreddamento o «coefficiente H». La severità di raffreddamento è una funzione sia della composizione del mezzo di raffreddamento che del grado di agitazione. Ad esempio, el coefficiente H per olio di distillazione è di approssimativamente 0,25 mentre l'olio violentemente agitato ha un coefficiente prossimo a 1,0. L'acqua distillata - ha un coefficiente H prossimo a 1,0, e l'acqua «agitata» può avere coefficienti H maggiori di 1,0, in dipendenza dal grado di agitazione. La pratica preferita della presente invenzione include l'impiego di un procedimento di raffreddamento in grado di fornire coefficienti H maggiori di 1,2, garantendo nel contempo il raffreddamento uniforme del pezzo di lavoro. È fatto impiego di un mezzo di raffreddamento acquoso che può essere costituito da acqua o a acqua contenente vari additivi di raffreddamento convenzionali. È desiderabile un certo grado di agitazione per garantire che la parte sia uniformemente raffreddata. Dopo che l'intera carica di pezzi di lavoro è stata austenitizzata e raffreddata, i pezzi di lavoro vengono caricati sulla tavola di entrata per il rinvenimento. Durante l'operazione di rinvenimento, i pezzi di lavoro sono caricati individualmente nella stazione di riscaldamento, mantenuti in tensione (ad un livello di tensione minore della sollecitazione di snervamento dell'acciaio), e riscaldati sino ad una temperatura di rinvenimento appropriata. La combinazione di riscaldamento e tensione fa si che il pezzo di lavoro abbia a raddrizzarsi. Un'illustrazione schematica dell'apparecchiatura impiegata per il trattamento secondo i concetti della presente invenzione è illustrata in figura 1. 5 L'illustrazione rappresentata in figura 1 rappresenta la configurazione dell'apparecchiatura effettiva da laboratorio impiegata per trattare la maggior parte degli acciai illustrati nella tabella 1. Per trattare l'acciaio secondo i concetti della presente invenzione potrebbero essere impiegate altre confilo gurazioni d'apparecchiatura, e - questa particolare configurazione è presentata solo a titolo esemplificativo. Questa configurazione è stata concepita per barre, aste o tubi aventi una lunghezza da 2,4 a 4,3 metri circa e un diametro variabile da 1,27 a 8,89 cm circa.

i5 La figura 2 è una illustrazione schematica rappresentante una configurazione di apparecchiatura impiegata specificatamente per trattare pezzi di lavoro di acciaio di dimensioni minori, in conformità con i concetti della presente invenzione, e in un modo convenzionale per scopi di comparazione. 20 Come è stato spiegato precedentemente, quando riscaldamento rapido viene impiegato per austenitizzare l'acciaio, un tempo molto breve è consentito per la diffusione dei vari elementi alle frontiere dei granuli austenitici. Conseguentemente, la resistenza delle frontiere o linee di demarcazione 25 dei granuli austenitici rimane elevata, e l'acciaio resiste alle incrinature durante il procedimento di raffreddamento. Questo fenomeno costituisce uno dei vantaggi principali del procedimento della presente invenzione.

Un altro vantaggio associato al trattare l'acciaio secondo 30 i concetti della presente invenzione è che vi è un minor livello di distorsione durante il raffreddamento quando viene impiegato il procedimento nuovo, rispetto al livello di distorsione osservato durante il trattamento convenzionale.

Un ulteriore vantaggio del rapido ciclo di austenitizza-35 zione è costituito dal fatto che sulla superficie del pezzo di lavoro si forma una piccolissima quantità di ossido, poiché l'acciaio si trova alle alte temperature per tale breve periodo di tempo. La formazione di ossido può essere evitata nei trattamenti in forno tramite l'impiego di una atmosfera di 40 protezione, ma la generazione di una atmosfera di protezione risulta costosa. Il procedimento della presente invenzione evita la formazione di una notevole quantità di ossido sui pezzi di lavoro di acciaio e in tal modo consente di ridurre queste perdite di peso dell'acciaio, i costi di pulitura 45 dell'acciaio o i costi relativi alle atmosfere di protezione.

Un altro vantaggio del trattamento secondo i concetti della presente invenzione è la riduzione della quantità di decarburazione che si verifica durante il trattamento termico. Quando acciaio viene trattato secondo la presente so invenzione, il ciclo di austenitizzazione è molto breve, e vi è un tempo molto breve perchè il carbonio possa reagire con l'aria e lasciare l'acciaio. Conseguentemente sull'acciaio non si forma uno strato di decarburazione o decarburato. Questo aspetto del procedimento secondo la presente invenzione 55 rende possibile trattare pezzi di lavoro che sono stati torniti o rettificati per rimuovere la zona decarburata senza timore di decarburare la superficie del pezzo di lavoro stesso. Conseguentemente, la superficie del pezzo di lavoro di acciaio può essere tornita o rettificata in condizione lamina-60 ta a caldo o ricotta prima del trattamento termico. Nel trattamento convenzionale, l'acciaio deve essere tornito o rettificato dopo il trattamento termico, quando detto acciaio è in una condizione indurita o temprata.

Ancora un altro vantaggio del trattamento secondo i 65 concetti della presente invenzione riguarda leghe impiegate per un dato requisito dei prodotti trattati termicamente. Come si è spiegato precedentemente, le incrinature da tempra e le distorsioni da tempra, o rapido raffreddamento,

7

648 061

che si verificano durante il trattamento convenzionale dell'acciaio sono problemi di primaria importanza. Per minimizzare questi problemi viene solitamente impiegato un mezzo di raffreddamento più blando. L'inconveniente ralati-vo all'impiegare un raffreddamento più blando è costituito dal fatto che non può essere realizzato il potenziale di indurimento completo dell'acciaio. Come conseguenza del trattamento secondo i concetti della presente invenzione, può essere impiegato un mezzo di raffreddamento «severo» o spinto, e può essere raggiunto il pieno potenziale di indurimento di una data lega.

Un'altra caratteristica vantaggiosa della presente invenzione è associata con la riduzione della dispersione di raffreddamento durante la fase di rinvenimento del trattamento. Questo aspetto del procedimento è già stato in precedenza citato, e si ritiene che questo fenomeno di raddrizzamento da rinvenimento sia dovuto alla ridistribuzione preferenziale delle sollecitazioni residue nel pezzo di lavoro. Prove hanno mostrato che le sollecitazioni richieste per determinare il verificarsi di raffreddamento da rinvenimento sono molto al di sotto delle sollecitazioni di snervamento dell'acciaio. Conseguentemente il fenomeno è diverso dal raddrizzamento in apparecchiature di stiratura e da altri procedimenti dì raddrizzamento meccanici che richiedono la generazione di sollecitazioni maggiori della resistenza a snervamento dell'acciaio.

Un importante vantaggio della presente invenzione è che essa ha elevata efficienza energetica. Diversamente dalle operazioni di trattamento in forno convenzionali in cui forni di grandi di mensioni devono essere riscaldati a temperature elevate, nella presente invenzione viene riscaldato essenzialmente solo il pezzo di lavoro che viene trattato. Infatti, studi hanno dimostrato che la presente invenzione ha una efficienza o rendimento dal 70 al 90% rispetto ad una efficienza o rendimento massima/o di solo circa il 35% per un forno convenzionale con recuperatori.

E ovvio che la presente invenzione offre vari importanti vantaggi per il fabbricante di pezzi di lavoro di acciaio trattati termicamente. Il problema delle incrinature da raffreddamento è virtualmente eliminato grazie al procedimento della presente invenzione. La dispersione da raffreddamento è minimizzata, ed è pure minimizzata la formazione di ossido durante il trattamento. Il pieno potenziale di indurimento dell'acciaio può essere raggiunto im piegando il presente procedimento, poiché è impiegato un raffreddamento severo o spinto. In aggiunta, qualsiasi dispersione che si verifica nell'acciaio durante l'austenitizzazione ed il raffreddamento può essere notevolmente ridotta durante la fase di rinvenimento. Si è scoperto che l'acciaio prodotto secondo i concetti della presente invenzione ha uniformità superiore rispetto ad acciai prodotti tramite tecniche convenzionali. Si sono pure osservati miglioramenti di duttilità, tenacità e resistenza a fatica.

Esempio 1

Questo esempio è una comparazione generale del trattamento in forno convenzionale e del trattamento termico secondo i concetti della presente invenzione. In questo esempio, al fine di dimostrare che i concetti della presente invenzione eliminano virtualmente le incrinature da raffreddamento, barre vengono sottoposte a austenitizzazione seguita da raffreddamento, senza includere la fase di rinvenimento, poiché questa ultima non ha essenzialmente alcun effetto sulle incrinature da raffreddamento.

L'analisi chimica della colata di acciaio impiegata per questa prova di comparazione è illustrata nella tabella 1 dalla colata A. Per questa comparazione è stato impiegato l'acciaio 4150, poiché gli acciai con livelli di carbonio maggiori dello 0,40% sono suscettibili di incrinarsi in seguito a raffreddamento. Questa colata contiene pure Te, che è un additivo per migliorare la lavorabilità meccanica. In generale, gli additivi per migliorare la lavorabilità come ad esempio Te, Se, S e Pb aumentano la possibilità di incrinature da raffreddamento. Questi additivi formano inclusioni nell'acciaio, e le inclusioni si comportano come punti di inizio per le incrinature da raffreddamento. Per questa prova di comparazione sono stati impiegati i dispositivi illustrati in figura 2.

Campioni per questa prova di comparazione sono stati preparati a partire da barre di acciaio 4150 laminate a caldo che erano state pulite meccanicamente per rimuovere l'ossido che si formava sullo acciaio durante la laminazione a caldo. Sono state selezionate casualmente dieci barre laminate a caldo, e due corti campioni sono stati tagliati da ciascuna di queste barre. Ciascun campione aveva una lunghezza di 53,3 cm e un diametro di 2,61 cm. I venti campioni sono stati divisi in due gruppi di dieci. Un gruppo era previsto per il trattamento in forno e l'altro era previsto per il trattamento secondo i concetti della presente invenzione.

I campioni previsti per il trattamento in forno sono stati riscaldati nel forno da laboratorio sino ad una temperatura di 843 °C. In questo caso era richiesto un trattamento in forno di 4 ore per garantire che l'intera carica del forno avesse a raggiungere la temperatura di austenitizzazione. Quindi ciascun campione è stato individualmente raffreddato in acqua agitata. Nel bagno di raffreddamento non sono stati impiegati additivi, e la temperatura del bagno era mantenuta a 26,7 °C.

Quindi è stato trattato l'altro gruppo di campioni impiegando riscaldamento diretto a resistenza elettrica. Ciascun campione è stato riscaldato a 927 °C e raffreddato nello stesso serbatoio di raffreddamento impiegato per i campioni trattati in forno. Erano necessari solo sedici secondi per riscaldare ciascun campione alla temperatura di austenitizzazione desiderata. Si deve notare che la temperatura di austenitizzazione impiegata per il trattamento elettrico era di 65,6 °C maggiore della temperatura di austenitizzazione impiegata per il trattamento in forno. Una temperatura di austenitizzazione più elevata era necessaria per il trattamento elettrico per garantire che l'acciaio avesse a risultare completamente austenitizzato durante questo breve ciclo di riscaldamento. In generale, le temperature di austenitizzazione maggiori tendono a favorire le incrinature da raffreddamento, e l'impiego di una temperatura di austenitizzazione più elevata in questa prova di comparazione spostava in realtà la prova a favore del trattamento in forno.

Dopo che il raffreddamento di entrambi i gruppi di campioni era stato completato, ciascun campione veniva ispezionato per determinare la presenza di incrinature da raffreddamento e veniva misurato per determinarne la rettilineità. Le incrinature da raffreddamento venivano facilmente identificate sui campioni trattati in forno, mentre l'ispezione visiva non rivelava nessuna incrinatura da raffreddamento nei campioni trattati elettricamente. Per ottenere certezza che non vi fossero incrinature da raffreddamento sui campioni trattati elettricamente, questi campioni sono stati esaminati più rigorosamente impiegando tecniche di penetrazione di coloranti. Ancora una volta non si osservavano incrinature da raffreddamento. Ciascun campione è stato pure misurato per determinarne la «rettilineità». Ciò è stato eseguito ponendo il campione su una superficie piana, spingendo il campione contro una barra di acciaio diritta che era stata pure disposta sulla superficie piana o piatta, e misurando quindi la distanza massima fra

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

648 061

la barra diritta ed il campione. Questa misurazione (in pollici o millimetri) è stata divisa per la lunghezza del campione (in piedi e in centimetri) per ottenere una indicazione quantitativa del grado di distorsione in ciascun campione. I due gruppi di campioni sono stati pure fotografati, e le figure 3A e 3B mostrano che le barre trattate elettricamente erano molto più rettilinee o dritte che non le barre trattate in forno. La tabella 2 fornisce i dati relativi a questi due gruppi di barre trattate termicamente.

Tabella 2 Prova di comparazione per 4150

Tabella 3

Comparazione di durezza per l'acciaio 4150

Trattato in forno

Trattato elettricamente

Numero del campione

Grado di distorsione

Incrinature da

mm/m raffreddamento

Forno

F-l

15,91

0

F-2

9,50

1

F-3

3,83

0

F-4

14,25

0

F-5

14,25

1

F-6

11,91

1

F-7

8,91

0

F-8

15,91

1

F-9

18,58

1

F-10

10,75

0

Distorsione media 12,42

50% Incrinati

dal

raffreddamento

Trattato

elettricamente

E-l

3,33

0

E-2

3,25

0

E-3

3,83

0

E-4

3,25

0

E-5

1,16

0

E-6

3,16

0

E-7

3,00

0

E-8

2,58

0

E-9

5,16

0

E-10

3,41

0

Distorsione media

3,25

0% Incrinati

/■loi raffreddamento

Dai dati presentati nella tabella 2 e dalle fotografie delle figure 3A e 3B risulta evidente che 10 acciaio austenitizzato secondo i concetti della presente invenzione aveva una minor distorsione da raffreddamento che non l'acciaio trattato in forno. In realtà, la distorsione dei campioni trattati in forno era oltre tre volte quella delle barre trattate elettricamente. Si potrebbe supporre che la minore distorsione nei campioni trattati elettricamente sia dovuta ad una qualche differenza nella durezza «come temprato» ottenuta in questi campioni. Tuttavia non era così. La tabella 3 illustra un sommario dei dati di durezza presi sulla sezione trasversale di spezzoni tagliati da questi due gruppi di campioni «come raffreddati». Questi dati dimostrano chiaramente che nei due gruppi di campioni era ottenuto il medesimo livello di durezza. Le leggere differenze indicate rientrano entro la precisione della prova di durezza Re:

Durezza centrale media 62,2 Re 62,1 Re Durezza in corrispondenza del raggio intermedio media 60,8 Re 61,3 Re

10 Durezza superficiale media 60,7 Re 61,4 Re Durezza media totale

(30 prove) 61,2 Re 61,6 Re

L'aspetto più significativo dei dati presentati nella tabella is 2 è costituito da risultati relativi alle incrinature da raffreddamento. Il cinquanta per cento dei campioni trattati in forno subivano incrinature durante il raffreddamento in acqua, e tale percentuale di incrinature da raffreddamento è più o meno normale. Solitamente l'acciaio 4150 viene 2o raffreddato in olio per evitare le incrinature da raffreddamento. Conseguentemente, ci si aspetterebbe che abbiano a verificarsi incrinature da raffreddamento se al posto dell'olio viene impiegata per questo tipo di acciaio l'acqua. Tuttavia, nessuno dei campioni riscaldati elettricamente manifestava 25 incrinature anche se essi erano raffreddati esattamente nel medesimo mezzo di raffreddamento e anche se nell'acciaio era ottenuta la medesima durezza nello stato «come raffreddato». Si ritiene che la ragione di tale differenza nel verificarsi delle incrinature da raffreddamento possa essere 30 attribuita al rapido ciclo di austenitizzazione. Non vi era semplicemente tempo sufficiente a far si che elementi nocivi potessero segregarsi in corrispondenza delle frontiere dei granuli austenitici durante il breve ciclo di austenitizzazione impiegato. Conseguentemente, le frontiere dei granuli o 35 grani rimanevano «robuste», ed i campioni resistevano alle incrinature da raffreddamento. D'altro canto, vi è molto tempo per il verificarsi della segregazione alle frontiere dei granuli austenitici nei campioni trattati in forno, e il realtà il cinquanta per cento di questi campioni subivano incrinature. 40 Le figure 4A e 4B illustrano una comparazione della superficie di uno dei campioni trattati in forno e di quella di uno dei campioni trattati elettricamente. Nel campione trattato inforno si può rilevare un'incrinatura da raffreddamento. In generale, le incrinature da raffreddamento si 45 estendevano per tutta la lunghezza dei campioni, e esse seguivano un percorso irregolare da estremità a estremità. Una sezione tagliata attraverso uno dei campioni rivelava che l'incrinatura da raffreddamento si estendeva dalla superficie sino ad approssimativamente il centro della sezio-50 ne trasversale. L'esame della frattura o incrinatura rivelava che essa era in realtà di natura intergranulare. Poiché nessuna incrinatura da raffreddamento veniva rilevata nei campioni trattati elettricamente, nessuna di queste incrinature poteva essere fotografata o esaminata metallografica-55 mente.

Le fotografie delle figure 4A e 4B illustrano un altro importante aspetto del trattamento dell'acciaio con trattamenti di austenitizzazione rapidi. La figura 4A mostra che la superficie dell'acciaio trattato in forno aveva su di essa uno 60 spesso strato di ossido. D'altro canto, il campione che era stato austenitizzato elettricamente aveva su di esso solo un sottile strato di scaglie. Misurazioni dello spessore dello ossido sulle barre trattate in forno rivelavano che questo strato variava in spessore da 0,038-0,089 mm. È stato fatto 65 un tentativo di misurare lo spessore dello strato di ossido sui campioni trattati elettricamente, ma lo strato era talmente sottile che non potevano essere eseguite misurazioni. Tutto ciò che si poteva dire sui campioni trattati elettricamente era

9

648 061

che lo strato di ossido aveva uno spessore minore di 0,0025 mm. Questa mancanza di uno strato d'ossido sull'acciaio trattato secondo i concetti della presente invenzione costituisce un altro ovvio vantaggio del procedimento dell'invenzione.

Esempio 2

In questo esempio, sono stati ripetuti le prove e gli esami che erano stati condotti nell'esempio 1, ma è stato però impiegato un tipo di acciaio diverso.

Dieci barre laminate a caldo di acciaio 6150 dalla Colata B sono state selezionate casualmente. Queste dieci barre sono state pulite meccanicamente e quindi da essere sono stati tagliati venti campioni. Questi campioni avevano una lunghezza di 53 mm e un diametro di 27,1 mm. L'analisi chimica della Colata B è fornita nella tabella 1, e per questa serie di prove è stato scelto l'acciaio 6150 poiché si riteneva che tale tipo fosse suscettibile di subire incrinature da raffreddamento quando raffreddato in acqua. Per trattare termicamente questi venti campioni sono state impiegate le apparecchiature illustrate nella figura 2.

Dieci dei campioni sono stati trattati in forno impiegando una temperatura di austenitizzazione di 843 °C e un tempo di riscaldamento di 4 ore. Dopo l'austenitizzazione, i campioni sono stati raffreddati individualmente in acqua agitata, ispezionati per determinare le incrinature da raffreddamento e misurati per determinarne la rettilineità.

Quindi i dieci campioni rimanenti sono stati austenitizza-ti in conformità con i concetti della presente invenzione. La temperatura di austenitizzazione selezionata era di 927 °C, e il tempo richiesto per riscaldare ciascun campione era di 18 secondi. I campioni sono stati raffreddati individualmente nello stesso bagno che era stato impiegato per i campioni del forno. Sono state nuovamente impiegate le procedure descritte nell'esempio 1 per analizzare questi campioni, e i risultati di queste prove sono indicati nella tabella 4. Fotografie dei campioni «come raffreddati» sono illustrate nelle figure 5A e 5B.

Tabella 4

Prova di comparazione per l'acciaio 6150

Identificazione del Grado di distorsione Incrinature da campione raffreddamento

Forno: F-l

11,41

0

F-2

7,66

1

F-3

15,91

1

F-4

16,00

1

F-5

12,75

2

F-6

9,50

0

F-7

11,66

1

F-8

7,16

1

F-9

0,00

1

F-10

3,83

1

Distorsione

80% di media

9,58

campioni

incrinati

Trattamento elettrico:

E-l

1,42

0

E-2

1,42

0

E-3

0,00

0

E-4

1,16

0

E-5

3,00

0

E-6

1,83

0

E-7

0,25

0

E-8

1,58

0

E-9 2,58 0

E-10 1,66 0

Distorsione 0% di media 1,50 campioni incrinati

I dati forniti nella tabella 4 e le fotografie delle figure 5A e 5B illustrano come l'austenitizzazione rapida tenda a ridurre il livello di distorsione da raffreddamento. In questo caso, il grado di distorsione per i campioni trattati in forno era di sei volte quello dei campioni trattati elettricamente.

Le prove di durezza sono state condotte sulla sezione trasversale di campioni tagliati da campioni rappresentanti sia l'acciaio trattato in forno che l'acciaio trattato elettricamente, ed i risultati di queste prove di durezza sono indicati nella tabella 5.1 dati della tabella 5 indicano che i due gruppi di campioni erano raffreddati a essenzialmente il medesimo livello di durezza. Conseguentemente, le differenze osservate nel grado di distorsione di raffreddamento e le differenze nella frequenza delle incrinature da raffreddamento, non possono essere attribuite a differenze nel grado di trasformazione martensitica.

Tabella 5

Comparazione di durezza per l'acciaio 6150

Trattato in forno Trattato elettricamente

Durezza centrale media 61,1 Re 61,5 Re Durezza media in corrispondenza del raggio intermedio 60,8 Re 61,1 Re

Durezza superficiale 61,0 Re 61,5 Re media

Durezza media totale

(30 prove) 60,9 Re 61,5 Re

L'aspetto più significativo dei dati presentati nel la tabella 4 riguarda la comparazione delle incrinature da raffreddamento. L'ottanta per cento dei campioni trattati in forno subivano incrinature, mentre nessuno dei campioni trattati elettricamente si incrinava. Questi dati dimostrano chiaramente che la austenitizzazione rapida evita il problema delle incrinature da raffreddamento.

Le figure 6A e 6B mostrano la superficie di uno dei campioni trattati in forno e la superficie di uno dei campioni trattati elettricamente. Sul campione trattato in forno si nota chiaramente un'incrinatura da raffreddamento. Queste fotografie mostrano pure lo spesso strato di ossido sul campione trattato in forno e lo strato di ossido relativamente sottile sul campione trattato elettricamente. Si è supposto che lo spessore degli strati di ossido su questi campioni fosse simile a quello dei campioni corrispondenti nell'esempio 1.

I risultati di questa serie di prove confermano le osservazioni fatte nell'esempio 1. L'austenitizzazione rapida secondo i concetti della presente invenzione impedisce le incrinature da raffreddamento, minimizza la distorsione da raffreddamento e minimizza la formazione di ossido sull'acciaio. Prove di preparazione di questo tipo sono state pure condotte su alcuni degli altri tipi di acciaio elencati nella tabella 1, che hanno contenuti di carbonio maggiori dello 0,40 per cento. In ciascun caso, i risultati erano simili, e il procedimento nuovo della invenzione impediva il verificarsi di incrinature da raffreddamento.

Esempio 3

Questo esempio fornisce un'ulteriore prova della mancanza di incrinature da raffreddamento associata al

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

648 061

10

procedimento della presente invenzione, e descrive la gamma di prodotti commerciali che possono essere preparati da acciai 414X.

Barre laminate a caldo da dieci colate di acciaio 414X prodotto commerciale sono state selezionate per il trattamento e le analisi chimiche di queste dieci colate sono fornite nella tabella 1, e indicate da colate da C a L. Per questa prova è stata scelta la serie di leghe 414X, poiché queste rappresentano le leghe commerciali più popolari per il trattamento termico. Molte delle colate scelte contenevano additivi per migliorare la lavorabilità meccanica, i quali avevano tendenza a favorire le incrinature da raffreddamento dell'acciaio. I diametri delle barre provate variavano da 15,1 mm a 88,9 mm, e le barre avevano una lunghezza minima di 8 piedi (2,5 metri circa).

Per trattare varie barre da ciascuna colata di acciaio è stata impiegata l'apparecchiatura illustrata nella figura 1. Le barre sono state caricate nella stazione di riscaldamento, riscaldate a 92,7 °C e quindi raffreddate.

Dopo il raffreddamento, le barre sono state rimosse meccanicamente dal serbatoio di raffreddamento e caricate sulla tavola di ritenzione di uscita. Dopo che un intero lotto di acciaio era stato austenitizzato e raffreddato, le barre erano rinviate alla tavola di ingresso e quindi riscaldate individualmente a varie temperature di rinvenimento. Sono state provate temperature di rinvenimento comprese fra 482-732 °C circa. Le barre più grandi trattate avevano un diametro di 88,9 mm, e 3,05 m di lunghezza e queste barre richiedevano per l'austenitizzazione un tempo totale di 8 minuti. Tutte le altre barre trattate da queste dieci colate venivano austenitizzate in meno di 8 minuti. I tempi di rinvenimento variavano da un tempo dell'ordine di pochi secondi sino a circa 5 minuti.

Prove estese sono state condotte sulle barre da queste dieci colate di acciaio, in modo tale che lo intervallo delle proprietà meccaniche poteva essere appropriatamente caratterizzato. La figura 7 illustra i dati di resistenza e duttilità che sono stati sviluppati. Ciascun punto di dati rappresentato rappresenta la resistenza tensile di una barra individuale da una di queste dieci colate. Complessivamente sono state trattate cinquanta barre. Le linee tratteggiate servono per definire l'intervallo delle proprietà meccaniche, ed esse non rappresentano alcuna caratteristica statica dei dati.

Gli intervalli illustrati in figura 7 sono sorprendentemente ristretti, considerando che i diametri di queste barre variavano da 15,1 mm a 88,9 mm. Questa stretta gamma di proprietà meccaniche implica che il procedimento nuovo non è sensibile a variazioni secondarie o minori nella composizione chimica dell'acciaio o a variazioni di diametro. Da figura 7 risulta pure evidente che le proprietà meccaniche dell'acciaio trattato termicamente possono essere variate facilmente entro un ampio intervallo controllando semplicemente la temperaura di rinvenimento.

Ciascuna barra che era stata trattata è stata pure ispezionata per determinare l'incrinature da raffreddamento, e non si rilevavano incrinature di raffreddamento. Ciò è particolarmente degno di nota, poiché le barre di acciaio 414X di grande diametro sono solitamente raffreddate in olio per evitare le incrinature da raffreddamento. Inoltre, tutte le barre di grande diametro provate (colate J, K et L) erano fatte di un acciaio che conteneva additivi per migliorare la lavorabilità meccanica. Come si è già detto precedentemente, gli additivi per migliorare le caratteristiche di lavorabilità meccanica tendono a favorire le incrinature da raffreddamento. Questi dati dimostrano chiaramente che il trattamento secondo i concetti della presente invenzione può essere impiegato su larga scala per trattare acciai commerciali senza le perdite che si verificherebbero normalmente a causa delle incrinature da raffreddamento.

Esempio 4

5 L'esempio 3 ha dimostrato che il procedimento della presente invenzione poteva essere impiegato per il trattamento termico di leghe 414X entro un'ampia gamma di diametri. Esso ha pure dimostrato che, grazie all'impiego del procedimento della presente invenzione, le incrinature da io raffreddamento possono essere evitate, e ha illustrato il campo o intervallo di proprietà meccaniche che potrebbero essere ottenute in detta serie di leghe. Questo esempio tratta un intervallo più ampio di composizioni di leghe, ed esso dimostra la versatilità del procedimento della presente i5 invenzione, come pure la mancanza di incrinature da raffreddamento in altre leghe.

Per il trattamento dell'acciaio per questo esempio sono state impiegate le apparecchiature illustrate nella figura 1. Tutte le barre trattate avevano una lunghezza minima di 2,5 20 metri circa e sono stati impiegati i procedimenti di trattamento descritti nell'esempio 3.

Le temperature di austenitizzazione variavano da 871,1 a 927 °C e le temperature di rinvenimento variavano da 482 a 704 °C. La tabella 1 fornisce i diametri e le composizioni 25 chimiche degli acciai provati in questo esempio, e sono state provate le colate seguenti: A, B, M, N, O, P, Q, R, S e T.

Varie barre da ciascuna di queste colate sono state trattate secondo i concetti della presente invenzione, e sono stati sviluppati i dati sulle proprietà meccaniche di ciascuna 30 barra. Le figure 8 e 9 illustrano i dati della resistenza tensile tracciati rispetto alle temperature di rinvenimento per queste dieci colate d'acciaio. Tutti gli acciai si comportavano in un modo prevedibile, coerente con il loro contenuto di lega. La natura della curva per l'acciaio 6150 è alquanto diversa da 35 quella di altri tipi, poiché questo acciaio contiene vanadio, e invecchiamento da vanadio si verifica in questo acciaio a temperature di rinvenimento prossime a 649 °C. Questo fenomeno è comune negli acciai contenenti vanadio, e non rappresenta un aspetto singolare della presente invenzione. 40 Dopo che ciascuna barra da queste dieci colate è stata trattata termicamente, essa è stata ispezionata per determinare le incrinature da raffreddamento, e non ne è stata trovata nessuna. Si deve tuttavia notare che gli acciai aventi un contenuto di carbonio minore dello 0,40%, non è 45 previsto abbiano a incrinarsi durante il raffreddamento in acqua. In questo esempio, vi sono tre leghe che rientrano in questa categoria. Le altre sette colate provate hanno tendenza a incrinarsi a causa di raffreddamento quando vengono raffreddate in acqua, e la colata 1144 avrebbe una forte so tendenza a incrinarsi in seguito a raffreddamento a causa dell'elevato tenore di zolfo di questo acciaio.

Durante il trattamento di questi vari tipi di acciaio, è stato fatto un tentativo di determinare la temperatura di austenitizzazione ideale per una data lega. Ovviamente, 55 temperature più elevate dovevano essere impiegate quanto era usata rapida austenitizzazione per compensare il ciclo di breve durata. Risultati sperimentali indicavano che la temperatura di austenitizzazione doveva essere di circa 111 °C al di sopra della temperatura A3 per un dato acciaio. Si deve 60 notare che questa temperatura è notevolmente più alta delle temperature raccomandate per il trattamento termico in forno. Questo esempio dimostra che il procedimento della presente invenzione può essere applicato ad un'ampia gamma di leghe di acciaio o acciai legati, senza difficoltà. Questo 65 esempio dimostra pure che il procedimento della presente invenzione elimina il problema delle incrinature da raffreddamento per un'ampia gamma di tipi di acciaio, e dimostra in tal modo la versatilità del procedimento dell'invenzione.

11

648 061

Esempio 5

Questo esempio dimostra come il procedimento della presente invenzione possa essere impiegato per pezzi di lavoro di acciaio aventi la forma di tubi.

L'apparecchiatura illustrata in figura 1 è stata impiegata per trattare tre tubi fatti da una colata 4130 commerciale. L'analisi chimica di questa colata (colata U) è illustrata nella tabella 1.1 tubi impiegati per questa prova avevano un diametro di 38,1 millimetri con uno spessore di parete di 9,5 millimetri. Questi tubi sono stati trattati tramite le apparecchiature di trattamento termico come se essi fossero barre, e non si sono incontrati inconvenienti. Ciascun tubo è stato austenitizzato a 927 °C e la temperatura compresa fra 399-566 °C. Dopo il trattamento termico, i tubi sono stati provati per determinarne le proprietà meccaniche. La tabella 7 illustra i risultati di queste prove.

Tabella 7

Proprietà meccaniche di tubi trattati termicamente

Trattamento Resistenza Snervamento AL RA

tensile Mpa (%) (%)

MPa

Tutti i tubi sono stati austenitizzati a 927°C

Rinvenimento a 399°C 1425,8 1294,4 12,5 59,1

Rinvenimento a 482°C 1298,6 1225,5 13,0 62,4

Rinvenimento a 566°C 1120,0 1023,7 16,0 67,3

Ciascun tubo è stato ispezionato per determinare le incrinature da raffreddamento, ed è stato provato per determinarne l'uniformità. Non sono state osservate incrinature da raffreddamento, e l'uniformità dell'acciaio dalla superficie all'interno e lungo la lunghezza era eccellente.

Questo esempio dimostra che i concetti della presente invenzione possono essere applicati a tubi senza difficoltà. Non erano necessarie modifiche delle apparecchiature, e da questo trattamento termico si otteneva un prodotto costituito da tubo di elevata e uniforme resistenza.

Esempio 6

Questo esempio dimostra il fenomeno del raddrizzamento da rinvenimento che è stato citato precedentemente. Il raddrizzamento da rinvenimento può essere impiegato per ridurre il livello di distorsione da raffreddamento che si verifica quando sono trattati termicamente pezzi di lavoro di forte lunghezza.

Barre da due colate, J e K, di 4142 sono state trattate secondo i concetti della presente invenzione. Le analisi chimiche e i diametri di queste barre sono forniti nella tabella 1, e l'apparecchiatura illustrata in figura 1 è stata impiegata per trattare queste due colate di acciaio.

In questa prova, la rettilineità di ciascuna barra è stata misurata dopo il raffreddamento e nuovamente dopo il rinvenimento. Durante il rinvenimento una forza tensile di 170 Kg circa è stata applicata al pezzo di lavoro di acciaio tramite i contatti elettrici. Questo livello di forza tensile non era da solo sufficiente a determinare deformazione plastica di queste barre di grande diametro. Tuttavia, durante il rinvenimento, si osservava che queste barre si raddrizzavano in grado considerevole. La figura 10A illustra una fotografie di barre dalla colata J nella condizione come raffreddate. Si deve notare che la quinta barra in questo gruppo era fortemente distorta durante il raffreddamento e ciò, in parte, era dovuto ad una malfunzione dell'impianto di agitazione nell'apparecchiatura di raffreddamento. La figura 10B illustra le medesime barre dopo il rinvenimento sotto tensione. Si deve notare il notevole miglioramento nella rettilineità delle barre dopo rinvenimento. La tabella 8 illustra i valori di rettilineità misurati dopo il raffreddamento e dopo il rinvenimento di queste barre. Sono pure indicate le temperature di rinvenimento.

Tabella 8 Distorsione delle barre dalla colata J

Distorsione dopo raffreddamento mm/m

Distorsione dopo rinvenimento mm/m

Temperatura di rinvenimento fC)

2,95

0,44

482

4,65

0,88

537

4,22

0,88

593

1,68

0,44

648

21,53

7,04

704

0,84

0,44

648

2,10

0,44

648

0,84

0,44

648

Media 4,85

1,375

Questo esperimento è stato ripetuto su barre di diametro maggiore dalla colata K. La tabella 9 illustra i risultati di misurazioni di rettilineità eseguite durante il trattamento di questa colata.

Tabella 9 Distorsione in barre dalla colata K

Distorsione dopo Distorsione dopo Temperatura di raffreddamento rinvenimento rinvenimento mm/m mm/m (°C)

2,53 2,53 482

7,60 2,10 537

16,89 2,53 593

16,89 2,95 648

18,58 2,95 704

Media 12,50 2,61

I dati presentati nelle tabella 8 e 9 illustrano il fenomeno del raddrizzamento da rinvenimento. In entrambi i casi, vi era una notevole quantità di riduzione della distorsione delle barre a causa della combinazione di piccole sollecitazioni di tensione e rapido riscaldamento. La sollecitazione tensile che era applicata a queste barre era talmente piccola che questo fenomeno di raddrizzamento non può essere spiegato nei termini di snervamento dell'acciaio. Al contrario, questa riduzione nell'entità di distorsione è dovuta alla ridistribuzione preferenziale delle sollecitazioni residue nella barra. Non sarebbe possibile ottenere questo effetto di raddrizzamento in un trattamento di rinvenimento in forno, poiché la massa della carica del forno avrebbe tendenza a «fissare» o congelare la forma dei pezzi di lavoro e impedire il loro raddrizzamento.

Esempio 7

Questo esempio descrive i risultati di una prova di comparazione generale fra il trattamento termico convenzionale e il trattamento termico secondo i concetti della presente invenzione. L'analisi chimica dell'acciaio impiegato per questa prova di comparazione (colata G) è fornita nella tabella 1. È stato confermato che questa particolare colata di 4140 non era soggetta a incrinature da raffreddamento quando austenitizzata in forno e raffreddata in acqua. Quindi in questo caso particolare era possibile eseguire una prova di comparazione. L'apparecchiatura illustrata nella figura 2 è stata impiegata per preparare campioni per questa serie di prove.

Campioni trattati in forno sono stati austenitizzati a 843 °C per un'ora, raffreddati in acqua agitata, e quindi fatti rinvenire per un'ora a temperature comprese fra 482 e

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

648 061

12

593 C. Le cariche nel forno erano mantenute di piccole dimensioni per garantire trattamenti di austenitizzazione e rinvenimento appropriati. Una uguale quantità di acciaio è stata quindi trattata secondo i concetti della presente invenzione impiegando riscaldamento a resistenza elettrica diretto. Una temperatura di austenitizzazione di 927 °C è stata impiegata per tutti i campioni riscaldati elettricamente, e le temperature di rinvenimento variavano da 537 a 704 °C. I tempi di austenitizzazione per ciascun campione erano di 42 secondi, e i tempi di rinvenimento erano tutti minori di 30 secondi. Questi trattamenti producevano campioni i quali avevano resistenza tensile che variava da 1054,7 a 1476,5 MPa sono stati trattati, a vari livelli, una quantità di campioni sufficienti a eseguire comparazioni di durezza, resistenza, duttilità, durata a fatica e resilienza Charpy.

I risultati delle prove sulle proprietà tensili rivelavano che l'acciaio trattato secondo la presente invenzione aveva duttilità migliorata rispetto allo acciaio trattato convenzionalmente. La figura 11 illustra un grafico della resistenza tensile rispetto all'allungamento per campioni trattati mediante le due tecniche. Il grafico indica che vi è un miglioramento di duttilità associato col procedimento della presente invenzione. Le differenze sono di piccolo valore, ma la tendenza è chiaramente illustrata. Il miglioramento di duttilità viene attribuito alla microstruttura «affinata» che è prodotta in conseguenza del rapido trattamento di austenitizzazione.

Successivamente, sono stati preparati due volumi relativamente grandi di barre di acciaio, con il medesimo livello di resistenza, impiegando i due procedimenti per la prova di fatica. Da queste barre sono stati preparati campioni per la prova di fatica a rotazione-flessione lisci, ed essi sono stati provati per determinare il limite di resistenza a fatica dell'acciaio. Da queste barre sono stati pure tagliati vari campioni per le prove tensili e di durezza. La tabella 10 illustra i risultati delle prove di questo acciaio. Dai dati presentati in questa tabella risulta chiaramente evidente il miglioramento della durata a fatica e del rapporto di fatica.

Tabella 10

Proprietà meccaniche di campioni per la prova di resistenza a fatica-colata G

Proprietà meccaniche

Trattato

Trattato in forno elettrica

mente

Resistenza tensile (MPa)

1182,6

1181,9

Resistenza a snervamento (MPa)

1099,6

1091,9

Allungamento (%)

15,8

16,5

Riduzione di area (%)

53,5

57,1

Durezza del nucleo (Re)

36,4

36,8

Limite di fatica (MPa)

624,4

643,3

Rapporto di fatica

0,528

0,544

Rapporto di fatica = Limite di fatica/Resistenza tensile

Sono state pure condotte prove di resilienza Charpy su campioni da questi due lotti di acciaio i quali erano stati preparati al medesimo livello di resistenza tensile 1265,4 MPa. La tabella 12 illustra i risultati della prova di resilienza 5 Charpy entro un'ampia gamma di temperature. Si deve notare che l'energia di impatto era maggiore per lo acciaio trattato secondo la presente invenzione, indipendentemente dalla temperatura di prova.

Tabella 11

io Dati di resilienza charpy per la colata G

Temperatura di

Trattato in forno

Trattato prova

elettricamente

CQ

(°F)

Joule

Joule

90

194

56,9

78,6

50

122

56,9

59,7

24

75

52,9

56,9

0

32

50,0

54,2

-25

-13

35,8

43,4

-40

-40

32,5

37,3

-50

-58

25,8

27,8

-72

-98

20,0

22,5

I dati presentati in questo esempio dimostravano che 25 l'accio prodotto secondo i concetti della presente invenzione aveva proprietà di duttilità, resistenza a fatica e proprietà di resilienza Charpy superiori rispetto a quelle dell'acciaio prodotto impiegando tecniche convenzionali.

Esempio 8

30 Come si è osservato, il riscaldamento in forno ha associato con esso taluni problemi di controllo che nascono a causa di variazione di temperatura dalla superficie al nucleo o parte centrale della carica del forno. Tale variazione di temperatura determina una mancanza di uniformità 35 nel prodotto trattato in forno. Al fine di provare questa ipotesi, è stato acquistato un campione di acciaio 410 42 trattato termicamente in forno da una società di trattamento dell'acciaio. Quindi è stato preparato un campione simile impiegando l'apparecchiatura illustrata in figura 1 e secondo 40 i concetti della presente invenzione. Entrambi i campioni erano costituiti da 29 barre di acciaio 4142, del diametro di 25,4 mm e avente una lunghezza di approssimativamente 3,5 metri. Le analisi chimiche di queste due colate (colate V e W) sono fornite nella tabella 1.

45 L'acciaio preparato secondo i concetti della presente invenzione è stato austenitizzato a 927 °C e sottoposto a rinvenimento a 688 °C. Quindi i pezzi di lavoro sono stati raddrizzati meccanicamente a tolleranze commerciali. Un campione per prove tensili e un campione per prove di 50 durezza sono stati tagliati da ciascuna barra e sono state impiegate tecniche di analisi statistiche per accertare l'uniformità dell'acciaio. La medesima serie di prove e le medesime analisi sono state condotte sull'acciaio prodotto convenzionalmente, e la tabella 12 illustra i risultati delle 55 analisi statistiche su queste due lotti di acciaio.

Tabella 12

Analisi statistiche della uniformità di 4142

Trattato in forno Trattato elettricamente

Proprietà meccaniche Intervallo Deviazione standard Intervallo Deviazione standard

Resistenza tensile (MPa) 168,0 29,9 76,6 16,1 Resistenza a snervamento (MPa) 159,6 29,8 101,2 26,0

Allungamento (%) 5,0 1,045 3,0 1,127

Riduzione di area (%) 9,6 2,216 5,6 1,344 Durezza della parte dentrale(Rc) 6,0 1,394 3,0 0,577

13

648 061

I dati illustrati nella tabella 12 dimostrano che l'acciaio trattato secondo i concetti della presente invenzione e più uniforme dell'acciaio trattato in forno. In ogni categoria di proprietà meccaniche, l'intervallo di valori ottenuto era maggiore per il prodotto trattato in forno. Le differenze fra l'uniformità di questi due acciai sono più accentuate se vengono considerati i dati di resistenza tensile e di durezza. Il prodotto trattato in forno aveva un intervallo di valori doppio rispetto a quello dell'acciaio trattato elettricamente. Le deviazioni standard della resistenza tensile per i due acciai indicano pure che l'acciaio prodotto secondo i concetti della presente invenzione ha una uniformità circa doppia. Analogamente, i dati di durezza indicano che il prodotto trattato elettricamente ha una uniformità circa doppia di quella del prodotto trattato in forno.

Per dimostrare che il procedimento della presente invenzione rende possibile realizzare il pieno potenziale del contenuto di lega nell'acciaio, al fatto di essere in grado di sfruttare un raffreddamento spinto o severo, è stata eseguita una comparazione fra il campione prodotto convenzionalmente descritto nell'esempio 8 (colata V) ed un campione di un acciaio a più basso contenuto di lega (1045, colata 0), che è stato trattato secondo la presente invenzione. La tabella 13 (colata 0) fornisce una comparazione delle proprietà meccaniche e del notevole contenuto di lega di questi due acciai. Per questo confronte sono stati scelti questi particolari campioni, poiché essi avevano approssimativamente la medesima resistenza di snervamento.

Tabella 13

Comparazione di due acciai trattati termicamente

4142

1045

Trattato

Trattato

in forno elettricamente

Resistenza tensile (MPa)

1023,0

1068,7

Resistenza a snervamento (MPa)

909,8

912,6

Allungamento (%)

17,5

18,0

Riduzione di area (%)

60,0

62,3

Contenuto di carbonio (%)

0,41

0,44

Contenuto in manganese (%)

0,79

0,82

Contenuto di cromo (%)

1,01

0,03

Contenuto di molibdeno (%)

0,18

0,01

I dati illustrati nella tabella 13 illustrano come il completo potenziale di indurimento dell'acciaio 1045 possa essere realizzato in grado tale che si adatta a quello di acciaio più fortemente legato trattato in modo convenzionale. In questo caso, lo acciaio 1045 aveva effettivamente una migliore combinazione di proprietà meccaniche che non l'acciaio 4142. Nell'esempio precedente, i due acciai contengono circa la stessa quantità di carbonio-manganese, ma l'acciaio 4142 contiene molto più cromo e molto più molibdeno.

Esempio 10

Questo esempio dimostra che il procedimento secondo la presente invenzione minimizza la decarburazione che si verifica durante il trattamento termico. Per dimostrare questo effetto, sono stati preparati due campioni metallografici. Il primo campione è stato preso dalla colata V che è un tipico campione di acciaio trattato in forno. Il secondo campione è stato preso dalla colata A che era costituita da acciaio che era stato trattato secondo i concetti della presente invenzione. Entrambi i campioni vanivano sezionati in modo tale da poter facilmente esaminare lo strato decarburato in prossimità della superficie. Le figure 12A e 12B mostrano i risultati dell'esame metallografico.

Da queste due figure risulta chiaro che l'acciaio trattato in forno era fortemente decarburato, mentre l'acciaio trattato secondo i concetti della presente invenzione evidenziava scarsa decarburazione. Per verificare le osservazioni metallografiche, sulla sezione trasversale preparata di questi due campioni sono state eseguite prove di microdurezza. Risultati delle prove di microdurezza sono illustrati nella figura 13. Le prove di microdurezza rivelavano che vi era una piccola quantità di decarburazione associata con la superficie dell'acciaio trattato secondo i concetti della presente invenzione. Tuttavia, questo livello di decarburazione è relativamente minore quando comparato con la decarburazione che era presente nel campione trattato in forno.

In base a queste e ad altre osservazioni, si può concludere che il procedimento della presente invenzione favorisce la minimizzazione della decarburazione dell'acciaio durante il trattamento. Questo è con la massima probabilità un risultato diretto del brevissimo ciclo di austenitizzazione che viene impiegato. Non vi è semplicemente a tempo sufficiente perchè possa avvenire una quantità significativa di decarburazione.

Risulta evidente da questi esempi che la presente invenzione fornisce un notevole miglioramento nel procedimento di austenitizzazione, raffreddamento e rinvenimento degli acciai. Il presente procedimento fornisce un migliorato rendimento energetico grazie allo impiego di riscaldamento a resistenza elettrica diretto. Il problema delle incrinature da raffreddamento risulta verticalmente eliminato, ed il problema delle distorsioni da raffreddamento è notevolmente ridotto. Inoltre, la distorsione da raffreddamento che si verifica può essere corretta nell'ultima fase del procedimento.

Grazie al procedimento della presente invenzione, l'ossidazione della superficie dell'acciaio e i problemi di decarburazione e altri problemi comuni vengono minimizzati. Il procedimento della presente invenzione rende pure possibile - sfruttare il completo potenziale di indurimento dell'acciaio. Da ultimo, il prodotto ottenuto tramite l'impiego della presente invenzione possiede uniformità superiore rispetto al prodotto ottenuto impiegando tecniche convenzionali, e possiede proprietà di duttilità, tenacità e resistenza a fatica migliorate.

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

S

10 fogli disegni

Claims (7)

648 061

1. Procedimento per il trattamento termico di un pezzo di lavoro di acciaio che elimina sostanzialmente le incrinature da raffreddamento e la distorsione la raffreddamento, comprendente le fasi seguenti:

(a) caricare in contatti elettrici le estremità opposte d'un pezzo di lavoro die lunghezza definita e di sezione uniforma, il quale pezzo di lavoro sia in grado di formare incrinature da raffreddamento e distorsione da raffreddamento se viene austenitizzato in un forno convenzionale e raffreddato rapidamente,

(b) rapidamente riscaldare elettricamente l'intero pezzo di lavoro ad una temperatura d'austenitizzazione maggiore della temperatura A3 per l'acciaio in tal modo che il periodo di tempo in cui l'acciaio viene riscaldato dalla temperatura Aj alla temperatura d'austenitizzazione è minore di 100 secondi,

(c) raffreddare immediatamente l'intero pezzo di lavoro austenitizzato in un mezzo di raffreddamento liquido in condizioni tali da fornire un coefficiente di severità di raffreddamento uguale o maggiore di acqua non agitata per formare una microstruttura predominantemente martensitica, ■

(d) far rinvenire il pezzo di lavoro raffreddato tramite riscaldamento elettrico rapido dell'intero pezzo di lavoro sino ad una temperatura minore della temperatura Aj dell'acciaio, sottoponendo il pezzo di lavoro a tensione, tale sollecitazione tensile essendo ad un livello al di sotto della sollecitazione di snervamento dell'acciaio.

2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui il periodo totale di tempo di riscaldamento è compreso fra 5 e 100 secondi.

2

RIVENDICAZIONI

3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui il periodo di tempo di riscaldamento dalla temperatura alla temperatura d'austenitizzazione è minore di 40 secondi.

4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui l'acciaio viene rapidamente riscaldato ad una temperatura maggiore della temperatura A3 tramite riscaldamento diretto a resistenza elettrica.

5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui l'acciaio viene riscaldato nel rinvenimento tramite riscaldamento diretto a resistenza elettrica.

6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui il pezzo di lavoro è un pezzo di lavoro di acciaio avente una sezione trasversale ripetentesi.

7. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui il pezzo di lavoro viene raffreddato in condizioni tali da fornire un coefficiente di severità di raffreddamento maggiore di 1,2.