Austenite residua e trattamento criogenico: quando il sotto zero ripaga

Cos'è l'austenite residua

La tempra trasforma l'austenite in martensite tra le temperature di inizio martensite (Ms) e di fine martensite (Mf). Negli acciai semplici a basso carbonio la Mf si colloca al di sopra della temperatura ambiente e la trasformazione si completa. Negli acciai ad alto carbonio e fortemente legati — acciai per utensili, gradi da cementazione, acciai per cuscinetti — il contenuto di carbonio e di lega abbassa Ms e Mf, e una frazione dell'austenite semplicemente non si trasforma mai: austenite residua, una fase tenera mescolata nella struttura temprata.

Le quantità variano ampiamente con il grado e la pratica di austenitizzazione; negli acciai per utensili fortemente legati temprati dalla parte alta del loro intervallo di temperatura vengono riportati valori da pochi percento fino a circa 20–30%.

Perché è importante

• Durezza e usura: l'austenite residua è più tenera della martensite, quindi quantità eccessive costano durezza e prestazioni di fatica da contatto (gli acciai per cuscinetti sono specificati rigorosamente per questo motivo).
• Stabilità dimensionale: l'austenite residua è metastabile. Può trasformarsi successivamente — sotto sforzo, calore di rettifica o variazione di temperatura — e la trasformazione espande il pezzo. Calibri, stampi di precisione e componenti per cuscinetti che escono di tolleranza in servizio sono il sintomo classico.
• Non è tutta negativa: una quantità piccola e controllata può giovare alla tenacità e al comportamento al contatto volvente, e il solo rinvenimento ne converte gran parte (vedere sotto).

I rimedi, in ordine

1. Rinvenimento. Un rinvenimento scelto correttamente (e per gli acciai per utensili un secondo rinvenimento) decompone l'austenite residua e rinvenisce la martensite fresca risultante. Per molti utensili questo è sufficiente e non è necessario alcun trattamento a freddo.
2. Trattamento sotto zero — raffreddamento del pezzo appena temprato a circa −70 a −85 °C (intervallo del ghiaccio secco o della refrigerazione meccanica) e breve mantenimento, spingendo la trasformazione più vicino a Mf. Ampiamente utilizzato per componenti per cuscinetti e cementati.
3. Trattamento criogenico profondo — raffreddamento a temperature dell'azoto liquido, intorno a −196 °C, con raffreddamento e riscaldamento lenti e controllati, solitamente mantenuto per molte ore e sempre seguito da rinvenimento. Oltre a completare la trasformazione dell'austenite, si sostiene che il criogenico profondo promuova una precipitazione di carburi molto fine negli acciai per utensili; il beneficio sulla stabilità dimensionale è ben consolidato, mentre l'entità del beneficio sulla vita a usura varia per grado e studio.

Regole di sequenza che determinano il successo

• Trattare tempestivamente dopo la tempra — pezzi ritardati possono stabilizzare l'austenite, e pezzi sotto sforzo possono criccarsi se lasciati allo stato temprato.
• Raffreddare e riscaldare gradualmente; sezioni sottili e stampi complessi sono sensibili alle cricche da shock termico in entrambe le direzioni.
• Rinvenire sempre successivamente. La martensite fresca formatasi al freddo è non rinvenuta e fragile; un ciclo criogenico che termina a temperatura ambiente senza un rinvenimento ha peggiorato il pezzo.

Quando ripaga

Il trattamento sotto zero o criogenico ripaga il suo costo su: calibri di precisione e campioni master, utensili da taglio e formatura di alta gamma, componenti per cuscinetti con limiti rigorosi di austenite residua e stampi le cui tolleranze non possono assorbire una crescita in servizio. Per componenti generali di macchine in acciai a medio carbonio — che trattengono poca austenite in partenza — aggiunge costo senza un meccanismo che lo ripaghi.