La selezione dei mezzi di raffreddamento durante il trattamento termico si colloca tra i fattori più influenti nella determinazione della microstruttura finale e, di conseguenza, delle proprietà meccaniche dei metalli. Da un semplice raffreddamento dell'aria a un'altissima velocità di brinatura, il tasso in cui il calore viene estratto da un pezzo caldo detta quali fasi formano, la dimensione e la distribuzione dei grani, e il livello di stress interno che rimangono.

Fondamenti del trasferimento di calore durante il raffreddamento

Prima di esaminare i mezzi specifici, è necessario comprendere la fisica del raffreddamento. Quando una parte metallica riscaldata è immersa in un fluido, il trasferimento di calore avviene attraverso tre meccanismi primari: la conduzione attraverso lo strato di confine fluido, la convezione mentre il fluido si allontana dalla superficie e la radiazione a temperature molto elevate. La curva di raffreddamento — la temperatura del pezzo trapiantato contro il tempo — dipende dalla conducibilità termica del metallo, dalla capacità di raffreddamento e dalla fluidità del fluido.

Durante la fase iniziale (stadio coperta di vapore), il metallo caldo vaporizza il liquido, creando un vaporizzatore stabile che isola la superficie. Come la temperatura scende, il film collassa nella fase di ebollizione del nucleo, dove la formazione rapida della bolla rimuove molto efficacemente il calore. Infine, una volta che la temperatura scende sotto il punto di ebollizione del liquido, il raffreddamento convettivo colpisce i gradi di una struttura molto più lenta.

Principali media di raffreddamento e le loro caratteristiche

Cinque ampie categorie di supporti di raffreddamento sono utilizzati nel trattamento termico industriale, ognuna delle quali offre una combinazione distinta di tasso di raffreddamento, costo, sicurezza e impatto ambientale.

Raffreddamento ad aria

La convezione naturale in aria continua a produrre tassi di raffreddamento di circa 5-20 °C al minuto in acciai, a seconda delle dimensioni della sezione. La circolazione dell'aria forzata può aumentare questo tasso a forse 50 °C al minuto. Il raffreddamento dell'aria è comunemente usato per normalizzare gli acciai a basso tenore di carbonio e per i processi di ricottura in cui è richiesta una microstruttura a pieno equilibrio (ferrite e perlite).

Acqua di Quenching

L'acqua è il più utilizzato rapido quenchant per gli acciai al carbonio e a basso tenore di lega. La sua elevata capacità termica specifica (~4.18 kJ/kg·K) e l'alta conducibilità termica permettono di estrarre il calore estremamente rapidamente, soprattutto durante la fase di ebollizione del nucleo.

Gli svantaggi dell’acqua che si mettono in crisi sono significativi. La violenta ebollizione può creare un raffreddamento irregolare su forme complesse, portando a distorsioni, eliminazione delle crepe e ad elevate sollecitazioni di trazione residue. Inoltre, la gravità di quenching dell’acqua (valore H) cambia con la temperatura: l’acqua calda offre meno potenza di raffreddamento, quindi è necessario un controllo accurato della temperatura.

Raffreddamento ad olio

Oli minerali, spesso formulati con additivi per migliorare la tessitura e la stabilità, forniscono una gravità di quenching tra quello dell'aria e dell'acqua. Tipici tassi di raffreddamento in una gamma di olio agitato da 50–150 °C al secondo. Gli oli hanno un punto di ebollizione più alto dell'acqua, che riduce la fase di rivestimento del vapore e promuove più uniforme nucleato ebollizione.

Il commercio è che l'olio non può sempre ottenere l'indurimento completo (cioè la formazione completa di martensite) in sezioni spesse di acciai a bassa induribilità. Il raffreddamento lento può permettere la perlite o la bainite di formarsi, abbassando la durezza finale. L'olio presenta anche rischi di incendio, richiede sistemi di estrazione del fume e degrada nel tempo da ciclo termico e contaminazione.

Soluzioni Brine

Le brine d'acqua salata (di solito 5-15% NaCl) vengono usate occasionalmente quando è necessario il più alto tasso di raffreddamento possibile. Il sale sciolto interrompe la pellicola di vapore, causando il collasso prima e promuovendo l'ebollizione intensa del nucleo. I tassi di raffreddamento possono superare 1000 °C al secondo in sezioni sottili.

Polimeri e altri supporti sintetici

Negli ultimi decenni, i polimero solubile in acqua (ad esempio, soluzioni di glicole polialchilene) hanno guadagnato popolarità. Regolando la concentrazione di polimeri, i metallurgisti possono sintonizzare il tasso di raffreddamento per soddisfare una vasta gamma di requisiti di indurimento, dalla velocità vicina all'acqua alla velocità di ricircolo.

Effetto dei media di raffreddamento sull'evoluzione microstrutturale

In acciai, il diagramma di trasformazione continua di raffreddamento (CCT) fornisce una roadmap: per una determinata curva di raffreddamento, se la curva passa a sinistra del naso perlato e bainite, si forma la martensite; se attraversa le regioni perlateite o bainite, verranno visualizzate quelle fasi.

Rapida raffreddamento: formazione intensiva

Quando un acciaio viene raffreddato ad un tasso superiore al tasso di raffreddamento critico per quella composizione, l'austenite non ha tempo per la diffusione del carbonio a lungo raggio. Invece, le cesoie di reticolo austenite in martensite, una soluzione solida supersaturi di carbonio in ferro che è estremamente difficile (ad esempio, 60–65 HRC in acciai ad alto tenore di carbonio) ma anche fragile.

Il mezzo di raffreddamento specifico influenza la finezza della struttura martensitica. Tassi di raffreddamento molto elevati, come dalla salamoia, producono martensite acicolari molto fini con elevata durezza.

Raffreddamento moderato: Formazione Bainite

Il bainite è un misto di ferrite e cementite, ma a differenza della perlite, si forma a temperature più basse con una piuma (bainite superiore) o una morfologia acicolare (bainite inferiore) che consente una combinazione eccellente di resistenza e tenacità, spesso superiore a quella temperata.

Raffreddamento lento: strutture Ferrite e Pearlite

Il raffreddamento ad aria o il raffreddamento molto lento attraverso la gamma critica (ad esempio, il raffreddamento del forno) permette la diffusione completa e la formazione di microstrutture di equilibrio: la ferrite (ferro alfa con carbonio molto basso) e la perlite (lamellare cementite in ferrite). La spaziatura interlamellare di perlite è controllata dal tasso di raffreddamento: il raffreddamento più rapido produce la perlattilità più fine e la resistenza più alta; il raffreddamento più lento produce la perlattilità media con una minore forza maggiore.

Impatto sulle proprietà meccaniche

La microstruttura prodotta da un determinato mezzo di raffreddamento determina direttamente le prestazioni del metallo in servizio.

  • Hardness e resistenza alla trazione:[[] Le strutture martensitiche forniscono la massima durezza e la massima resistenza alla trazione. Gli acciai a media carbonio incisi ad acqua possono raggiungere i 55–60 HRC, mentre i pezzi in lega di olio dello stesso grado possono raggiungere solo 45–50 HRC.
  • Ductility e Toughness:[] Le microstrutture ferritiche-perrlitiche raffreddate a lenta possono mostrare valori di allungamento superiori al 20% e le energie di impatto Charpy in oltre 100 J. In contrasto, la martensite as-quenched può mostrare meno del 5% di allungamento e resistenza agli urti molto bassi—spesso sotto 10 J. La selezione di media di raffreddamento diventa così un effetto di commercio tra i due livelli.
  • Resistenza all'usura:[] La durezza è un forte predittore della resistenza all'usura in ambienti abrasivi.
  • Fatica resistenza:[] La presenza di stress residui di compressione sulla superficie (come da indurimento indurimento o carburazione seguito da scoppio dell'olio) può migliorare drammaticamente la vita affaticata.
  • Strumenti di distorsione e residui:[ I più veloci supporti di raffreddamento creano gradienti termici più ripidi, portando a sollecitazioni più elevate e a una maggiore distorsione.

Supporti di raffreddamento per leghe non ferrose

Leghe di alluminio, ad esempio, sono trattate a uno stato soluzione e poi quenched per mantenere una soluzione solida supersaturi, che precipita in seguito durante l'invecchiamento. La velocità di raffreddamento deve essere abbastanza veloce per evitare precipitazioni durante la quench ma non così veloce da causare distorsioni eccessive. Per molte leghe di alluminio 6061 o 7075, l'acqua che quenching a temperatura ambiente è standard, ma per le forme complesse di ebollizione di falda

Le leghe di rame, tra cui il rame di berillio e i bronzi di alluminio, sono anche quenched dopo il trattamento della soluzione. L'acqua di quenching è tipica, ma l'alta conducibilità termica del rame significa che anche l'acqua può produrre un raffreddamento rapido e uniforme senza distorsione grave.

Considerazioni pratiche nella selezione dei media di raffreddamento

La scelta del giusto mezzo di raffreddamento per una determinata parte comporta il bilanciamento dei seguenti fattori:

  1. L'ardenabilità della lega:[] Gli acciai con un contenuto di lega più elevato (ad esempio, il cromo, il molibdeno, il nichel) hanno una più profonda induribilità e possono essere efficacemente induriti con quenchants più lenti come l'olio. Gli acciai al carbonio Plain richiedono acqua o salamoia per ottenere l'indurimento completo in sezioni più dense.
  2. Dimensioni e geometria di sezione:[ Le sezioni sottili perdono rapidamente il calore, quindi una quench mite può essere sufficiente. Le sezioni spesse memorizzano più calore e richiedono un'aggressiva quenching per ottenere martensite uniformi.
  3. Proprietà meccaniche desiderate:[ Se la massima durezza è la priorità (ad esempio, per parti di usura), può essere scelta acqua o salamoia. Se la durezza è fondamentale (ad esempio, per componenti strutturali), l'olio o anche l'aria forzata potrebbe essere specificata.
  4. Rispetto dei costi e dell'ambiente:[ L'acqua è il più economico, ma la sua disposizione è semplice. L'olio richiede un'adeguata disposizione, protezione antincendio e ventilazione. Brine è corrosivo e richiede un lavaggio attento.
  5. Sicurezza:[[] Fuoco dell'olio, contaminazione dell'acqua e corrosione delle onde salate tutti i controlli della domanda.

Tecniche e Controllo di Processo Avanzate

I moderni trattamenti termici non sono limitati ad un unico mezzo di raffreddamento per l'intera quench. Il quenching interrotto (martempering) comporta il quenching in un sale caldo o in un bagno di olio appena sopra la temperatura di inizio martensite, tenendo per equalizzare la temperatura, e poi raffreddando lentamente attraverso la gamma martensite.

Un altro metodo, austempering, si addentra in un bagno di sale a temperatura esattamente nella gamma di trasformazione bainite, tenendo fino a quando la formazione di bainite è completa. Il risultato è una struttura di bainite inferiore con una durezza eccezionale, molto meglio che la martensite temperata della stessa durezza. Il mezzo di raffreddamento qui è un sale fuso o un olio caldo, non un liquido di temperatura ambiente.

Anche il flusso di agitazione e di interrogazione riveste un ruolo fondamentale. I bagni continuano a produrre raffreddamento più lento e meno uniforme rispetto a quelli agitati. Il design del serbatoio di quench, comprese le pompe, le eliche e l'orientamento della parte, deve essere ottimizzato per garantire un trasferimento termico costante. ASM International’s Heat Treating Society fornisce linee guida dettagliate sulla progettazione del sistema di eliminazione.

Monitoraggio e assicurazione della qualità

Per garantire che il mezzo di raffreddamento selezionato esegue come previsto, i trattati di calore utilizzano diverse tecniche di monitoraggio:

  • Analisi curva di coordinamento:[[] Una termocoppia è posizionata al centro di una sonda (spesso un cilindro in argento o Inconel) e incisa. La curva di temperatura-tempo è registrata e confrontata con le curve di riferimento per il mezzo desiderato.
  • Test di astinenza:[ Semplice Rockwell o Brinell test dopo la quenching e la temperatura confermano se la durezza attesa è stata raggiunta attraverso la sezione.
  • Microscopia:[ Microscopia ottico o di scansione di campioni lucidati e incisi rivela la presenza di perlite, bainite, o martensite e aiuta a diagnosticare sotto o over-quenching.
  • I controlli di stato della base:[ Per i quenchants dei polimeri, le letture del refrattometro assicurano una corretta concentrazione. Per l'olio, viscosità, acidità e contenuto dell'acqua vengono misurati regolarmente. Le pratiche comuni di controllo della qualità per gli oli di quench] sono ben stabilite nel settore.

Case Studies in Selezione Media Raffreddamento

Cambio automatico:[] Questi sono spesso realizzati in acciai in lega carburati come 8620 o 4320. L'indurimento in un'atmosfera ricca di carbonio seguita da un'eccessiva distorsione dei denti dell'ingranaggio, quindi l'olio è preferito.

Strumenti di taglio dell'acciaio ad alta velocità:] Strumenti come fori e fresature di fine in acciaio M2 o T15 ad alta velocità devono essere temprati da un'alta temperatura di austenitizzazione (circa 1200 °C). Il raffreddamento rapido è necessario per mantenere i carburi e raggiungere la durezza secondaria. L'olio è spesso utilizzato, ma alcuni strumenti sono in grado di equilibratura ad alta velocità.

I forgiamenti di grandi dimensioni per i vasi di pressione: Le sezioni spesso richiedono l'induribilità a soddisfare le esigenze della proprietà. L'abbinamento e la tempra (Q&T) di acciai di basso contenuto di lega come l'Is. 4140 o il 4340 in olio è standard.

Tendenze future nello sviluppo dei media di raffreddamento

La regolazione ambientale sta conducendo la sostituzione di oli di quench a base di petrolio con sintetici biodegradabili.Gli additivi nanoparticellari in acqua o polimeri vengono studiati per migliorare la conducibilità termica e controllare il collasso del vaporno. Il raffreddamento criogenico (utilizzando azoto liquido) viene utilizzato in casi specializzati per ottenere carburi estremamente fini o per ridurre l'austenite mantenuto in acciai ad alta qualità.

La possibilità di applicare il raffreddamento adattivo, dove le caratteristiche del medium cambiano durante la quench, è un'area di ricerca attiva. Ad esempio, un quenchant a base d'acqua con una viscosità dipendente dalla temperatura potrebbe rallentare automaticamente il tasso di raffreddamento mentre la parte si raffredda, mimicking l'effetto di una quench interrotta senza un bagno caldo separato.

Conclusioni

L’impatto dei media di raffreddamento sulla microstruttura e sulle proprietà dei metalli è profondo e pratico; selezionando il mezzo appropriato, sia che si tratti di aria, acqua, olio, salamoia o di una soluzione sintetica, i metallurgisti possono dirigere trasformazioni di fase per produrre l’esatta combinazione di durezza, resistenza, duttilità e tenacità che richiede un’applicazione.