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Comprensione del test Jominy End-Quench Test

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Il test di tempra finale Jominy viene utilizzato per misurare la temprabilità di un acciaio, che è una misura della capacità dell'acciaio di indurire in profondità in un determinato insieme di condizioni. Questo articolo prende in considerazione i concetti di base di temprabilità e il test di Jominy.

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La conoscenza della temprabilità degli acciai è necessaria per selezionare la combinazione appropriata di acciaio legato e trattamento termico per ridurre al minimo le sollecitazioni termiche e le distorsioni nella produzione di componenti di diverse dimensioni. Il test di bonifica finale Jominy è il metodo standard per misurare la temprabilità degli acciai. Descrive la capacità dell'acciaio di essere temprato in profondità mediante tempra. La temprabilità dipende dalla composizione chimica dell'acciaio e può essere influenzata anche da condizioni di lavorazione precedenti, come la temperatura di austenitizzazione. Non solo è necessario comprendere le informazioni di base fornite dal test, ma anche determinare come le informazioni ottenute dal test di Jominy possono essere utilizzate per comprendere gli effetti delle leghe negli acciai e la microstruttura dell'acciaio.

Induribilità

L'indurimento è la capacità dell'acciaio di trasformarsi parzialmente o completamente da austenite a qualche frazione di martensite ad una data profondità sotto la superficie quando raffreddato in una data condizione da alte temperature. Un trattamento di tempra e tempra utilizza questa trasformazione di fase per temprare gli acciai. La tempra della microstruttura in martensite conferisce all'acciaio una buona combinazione di resistenza e tenacità. Senza rinvenimento, la martensite è dura ma fragile.

Per selezionare un acciaio per un componente che sarà trattato termicamente, è importante conoscerne la temprabilità. Sia la lega che la microstruttura influiscono sulla temprabilità, consentendo di selezionare la corretta velocità di temprabilità dell'acciaio e la velocità di temprabilità. La lavorazione preliminare dell'acciaio influisce anche sulla microstruttura e dovrebbe essere presa in considerazione.

La tempra degli acciai può essere intesa considerando che la fase austenite dell'acciaio può trasformarsi in martensite (Fig. 1a) o in una miscela di ferrite e perlite (Fig. 1b) al raffreddamento ad alta temperatura.

La reazione ferrite/perlite comporta la diffusione, che richiede tempo. Tuttavia, la trasformazione della martensite non comporta la diffusione ed è essenzialmente istantanea. Queste due reazioni sono competitive e la martensite si ottiene se la velocità di raffreddamento è abbastanza veloce da evitare la formazione più lenta di ferrite e perlite. Negli acciai legati, la reazione ferrite/perlite viene ulteriormente rallentata, il che consente di ottenere la martensite con velocità di raffreddamento più lente. La trasformazione in un'altra fase possibile (bainite) può essere intesa in modo analogo.

La temprabilità descrive la capacità dell'acciaio di indurirsi in profondità in una data serie di condizioni. Ad esempio, un acciaio ad alta temprabilità può trasformarsi in una frazione elevata di martensite fino a profondità di diversi millimetri in caso di raffreddamento relativamente lento, come ad esempio l'estinzione ad olio. In confronto, un acciaio a bassa temprabilità può formare solo una frazione elevata di martensite ad una profondità inferiore a 1 mm, anche in caso di raffreddamento piuttosto rapido, come ad esempio un raffreddamento ad acqua.

Gli acciai ad alta temprabilità sono necessari per la realizzazione di grandi componenti ad alta resistenza (come grandi viti estrusore per lo stampaggio ad iniezione di polimeri, pistoni per frantumatori, supporti per alberi da miniera e sottocarri per aerei) e piccoli componenti di alta precisione (come stampi per pressofusione, trapani e presse per lo stampaggio delle monete).

Le velocità di raffreddamento più lente che possono essere utilizzate per gli acciai ad alta temprabilità possono ridurre le sollecitazioni termiche e le distorsioni. Gli acciai a bassa temprabilità possono essere utilizzati per componenti più piccoli, come scalpelli e cesoie, o per componenti temprati in superficie, come gli ingranaggi, dove c'è il desiderio di mantenere una microstruttura in ferrite/perlite all'interno per migliorare la tenacità. Il test di bonifica finale Jominy è il metodo standard per misurare la temprabilità degli acciai[1]

Particolari di prova

Il campione di prova è un cilindro lungo 100 mm (4 pollici) x 25,4 mm (1 pollice) di diametro (Fig. 2a). Il campione di acciaio viene normalizzato (per eliminare le differenze di microstruttura dovute alla precedente lavorazione a caldo) e poi austenitzed solitamente ad una temperatura di 800-925°C (1470-1700°F). Il campione di prova viene rapidamente trasferito al dispositivo di prova (Fig. 2b), che raffredda l'acciaio spruzzando un flusso controllato di acqua su un'estremità del campione (Fig. 2c). La velocità di raffreddamento varia lungo la lunghezza del campione, da una velocità molto rapida all'estremità raffreddata, dove l'acqua colpisce il campione, a velocità inferiori, equivalenti al raffreddamento ad aria all'altra estremità.

L'esemplare rotondo viene poi macinato in piano lungo la sua lunghezza su lati opposti ad una profondità di almeno 0,38 mm (0,015 pollici) per rimuovere il materiale decarburazione. Si deve fare attenzione che la macinazione non riscaldi il campione perché questo può causare la tempra, che può ammorbidire l'acciaio.

La durezza viene misurata a intervalli dall'estremità temperata, tipicamente a intervalli di 1,5 mm (0,062 pollici) per gli acciai legati e 0,75 mm (0,031 pollici) per gli acciai al carbonio, iniziando il più vicino possibile all'estremità temperata. La durezza diminuisce con la distanza dall'estremità estinta. L'elevata durezza si verifica quando si sviluppano frazioni ad alto volume di martensite. Una durezza inferiore indica la trasformazione in microstrutture di bainite o di ferrite o di perlite.

La misurazione della durezza è comunemente effettuata utilizzando un durometro Rockwell o Vickers.[1-3] Sono disponibili tabelle di conversione per mettere in relazione le diverse scale di durezza[4,5] se necessario, ma occorre prestare attenzione ad utilizzare le tabelle corrette per l'acciaio. Le prove di durezza di Rockwell e Vickers deformano il metallo in modo diverso e i risultati sono influenzati dall'incrudimento del lavoro. La temprabilità è descritta da una curva di durezza dell'acciaio (Fig. 3) o più comunemente con riferimento al valore di durezza ad una particolare distanza dall'estremità temperata.

Usi dei valori di temprabilità

I dati del test di tempra finale Jominy possono essere utilizzati per determinare se un particolare acciaio può essere sufficientemente indurito in diversi mezzi di tempra, per diversi diametri di sezione. Ad esempio, la velocità di raffreddamento ad una distanza di 10 mm (0,390 pollici) dall'estremità temperata è equivalente alla velocità di raffreddamento al centro di una barra di 28 mm (1,1 pollici) di diametro temperata ad olio. La trasformazione completa in martensite nel campione Jominy in questa posizione indica che una barra di 28 mm di diametro può essere indurita a fondo (cioè indurita in tutto il suo spessore).

Un'elevata temprabilità è necessaria per l'indurimento totale di componenti di grandi dimensioni. Questi dati possono essere presentati utilizzando i diagrammi CCT (continuous cooling transformation),[6] che servono a selezionare gli acciai in base alle dimensioni dei componenti e ai mezzi di tempra (Fig. 4). Le velocità di raffreddamento più basse si verificano nel cuore dei componenti più grandi, rispetto alla velocità di raffreddamento più veloce in superficie. Nell'esempio in Fig. 3, la superficie sarà trasformata in martensite, ma il nucleo avrà una struttura bainitica con un po' di martensite. Spesso si scelgono velocità di tempra lenta per ridurre la distorsione e lo stress residuo nei componenti. Il riferimento 6 contiene ulteriori informazioni sul trattamento termico e sulle proprietà degli acciai.

Effetti delle leghe e della microstruttura

Il test di bonifica finale Jominy misura gli effetti della microstruttura, come la granulometria e le leghe, sulla temprabilità degli acciai. I principali elementi di lega che influiscono sulla temprabilità sono il carbonio, un gruppo di elementi tra cui Cr, Mn, Mo, Si e Ni e il boro.[7] Il riferimento 7 contiene ulteriori informazioni sulla microstruttura e la metallurgia degli acciai.

Il carbonio

Il carbonio controlla la durezza della martensite; l'aumento del contenuto di carbonio aumenta la durezza degli acciai fino a circa

0.6 % in peso di carbonio. A livelli di carbonio più elevati, tuttavia, la temperatura critica per la formazione della martensite è ridotta a temperature più basse. La trasformazione da austenite a martensite può quindi essere incompleta quando l'acciaio viene raffreddato a temperatura ambiente, il che porta all'austenite trattenuta. Questa microstruttura composita di martensite e austenite si traduce in una minore durezza dell'acciaio, anche se la durezza della fase di martensite stessa è ancora elevata (Fig. 5).

Il carbonio aumenta anche la temprabilità degli acciai ritardando la formazione di perlite e ferrite. Il rallentamento di questa reazione favorisce la formazione di martensite a velocità di raffreddamento più lente. Tuttavia, l'effetto è troppo piccolo per essere usato comunemente per il controllo dell'indurimento. Inoltre, gli acciai ad alto tenore di carbonio sono soggetti a distorsioni e cricche durante il trattamento termico e possono essere difficili da lavorare in condizioni di ricottura prima del trattamento termico. È più comune controllare la temprabilità utilizzando altri elementi e utilizzare livelli di carbonio inferiori allo 0,4 % in peso.

Altri elementi di lega

Cr, Mo, Mo, Mn, Si, Ni e V ritardano la trasformazione di fase da austenite a ferrite e perlite. Gli elementi più comunemente usati sono Cr, Mo e Mn. Il ritardo è dovuto alla necessità di ridistribuzione degli elementi leganti durante la fase diffusionale di trasformazione da austenite a ferrite e perlite. La solubilità degli elementi varia da una fase all'altra e l'interfaccia tra la nuova fase di crescita non può muoversi senza la diffusione degli elementi in lento movimento. Ci sono interazioni piuttosto complesse tra i diversi elementi, che influenzano anche le temperature della trasformazione di fase e la microstruttura risultante. Le composizioni degli acciai legati sono quindi talvolta descritte in termini di carbonio equivalente, che descrive l'entità dell'effetto di tutti gli elementi sulla temprabilità. Acciai dello stesso carbonio equivalente hanno una temprabilità simile.

Boro

Il boro è un elemento di lega molto potente, che richiede tipicamente lo 0,002-0,003 % in peso per avere l'effetto equivalente dello 0,5 % in peso di Mo. L'effetto del boro è indipendente dalla quantità di boro, a condizione che venga aggiunta una quantità sufficiente. L'effetto del boro è maggiore a bassi tenori di carbonio, ed è tipicamente utilizzato con acciai a basso tenore di carbonio.

Il boro ha una forte affinità per l'ossigeno e l'azoto, con cui forma composti. Pertanto, il boro può influire sulla temprabilità degli acciai solo se è in soluzione. Ciò richiede l'aggiunta di elementi "gettering", come l'alluminio e il titanio, per reagire preferibilmente con l'ossigeno e l'azoto nell'acciaio.

Granulometria

L'aumento della granulometria dell'austenite aumenta la temprabilità degli acciai. La nucleazione di ferrite e perlite avviene in siti eterogenei come i confini dei grani di austenite. Pertanto, aumentando la granulometria dell'austenite si riducono i siti di nucleazione disponibili, il che ritarda la velocità di trasformazione della fase di ferriti/perlite (Fig. 6). Questo metodo di aumento della temprabilità è raramente utilizzato perché un aumento sostanziale della temprabilità richiede una granulometria dell'austenite di grandi dimensioni, che si ottiene attraverso alte temperature di austenitizzazione. La microstruttura che ne risulta è piuttosto grossolana, con ridotta tenacità e duttilità. Tuttavia, la granulometria dell'austenite può essere influenzata da altre fasi della lavorazione dell'acciaio. Pertanto, la temprabilità di un acciaio dipende anche dalle fasi precedenti utilizzate nella sua produzione.