Applicazione del trattamento termico negli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile

Gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile, inclusi bulloni, dadi, viti e rondelle, sono ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico, dell'ingegneria navale, petrolchimica, alimentare e delle costruzioni grazie alla loro eccellente resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche e durata. Tuttavia, l'acciaio inossidabile così come è fuso o come formato spesso non riesce a soddisfare i severi requisiti prestazionali di ambienti di lavoro complessi, come elevata resistenza, resistenza all'usura, stabilità dimensionale e resistenza alla saldatura a freddo (grippaggio). Il trattamento termico, in quanto tecnologia di lavorazione cruciale, può regolare la microstruttura degli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile senza modificarne significativamente la forma, ottimizzandone così le proprietà meccaniche e la durata. Questo articolo approfondisce i comuni processi di trattamento termico per gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile, i loro principi di applicazione, gli adattamenti specifici del materiale e le pratiche di applicazione industriale.

1. Panoramica del trattamento termico per elementi di fissaggio in acciaio inossidabile

Lo scopo principale del trattamento termico per gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile è regolare la struttura cristallina interna, eliminare le tensioni interne generate durante la formatura (come la deformazione a freddo e la lavorazione meccanica) e bilanciare il rapporto tra resistenza, durezza, duttilità, tenacità e resistenza alla corrosione. A differenza degli elementi di fissaggio in acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile contiene elementi di lega come cromo (Cr), nichel (Ni), molibdeno (Mo) e titanio (Ti), che formano una pellicola di ossido passivo sulla superficie per resistere alla corrosione. Pertanto, il trattamento termico degli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile non deve solo migliorare le proprietà meccaniche, ma anche evitare di danneggiare questa pellicola passiva o di ridurre la resistenza alla corrosione.

La scelta dei processi di trattamento termico dipende dal tipo di acciaio inossidabile (austenitico, martensitico, ferritico, duplex), dai requisiti prestazionali degli elementi di fissaggio e dai loro scenari applicativi. I processi comuni includono il trattamento della soluzione, la ricottura, la tempra e il rinvenimento, l'indurimento per precipitazione, l'indurimento superficiale e la distensione, ciascuno con caratteristiche e ambiti di applicazione distinti.

2. Processi comuni di trattamento termico e loro applicazioni

2.1 Trattamento della soluzione (ricottura della soluzione)

Il solubilizzazione è il processo di trattamento termico più basilare e ampiamente utilizzato per gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile austenitico (come i gradi 304, 316, 321) e gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile duplex. Il processo prevede il riscaldamento degli elementi di fissaggio a una temperatura superiore al limite di solubilità dei carburi (tipicamente 1000–1200°C per l'acciaio inossidabile austenitico), il loro mantenimento a questa temperatura per un certo periodo per garantire la completa dissoluzione dei carburi (come i carburi di cromo) nella matrice austenitica, e quindi il loro rapido raffreddamento (tempra) in acqua o aria per ottenere una microstruttura austenitica uniforme.

La funzione chiave del trattamento della soluzione è quella di eliminare la precipitazione intergranulare dei carburi, che previene la corrosione intergranulare, una modalità di guasto comune degli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile in ambienti corrosivi come le industrie di trasformazione marina e chimica. Inoltre, il trattamento della soluzione migliora la duttilità e la tenacità degli elementi di fissaggio, facilitando i successivi processi di formatura (come la rullatura della filettatura) e garantendo la stabilità dimensionale durante il servizio. Ad esempio, gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile 316L utilizzati nelle apparecchiature marine devono essere sottoposti a trattamento di solubilizzazione per migliorarne la resistenza alla corrosione da cloruri e mantenere l'integrità strutturale in ambienti umidi e salini.

2.2 Ricottura

La ricottura è un processo di trattamento termico che mira ad ammorbidire gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile, alleviare le tensioni interne, migliorare la lavorabilità e omogeneizzare la microstruttura. Il processo varia leggermente a seconda del tipo di acciaio inossidabile: per l'acciaio inossidabile austenitico, la ricottura è spesso abbinata al solubilizzazione (solubilizzazione); per l'acciaio inossidabile ferritico, la ricottura viene condotta a 700–900°C seguita da un lento raffreddamento per eliminare le tensioni residue e migliorare la duttilità; per l'acciaio inossidabile martensitico, la ricottura viene utilizzata per ammorbidire il materiale dopo la tempra, riducendo la fragilità e facilitando la lavorazione.

Nella produzione di elementi di fissaggio in acciaio inossidabile, la ricottura viene spesso applicata prima della deformazione a freddo o della lavorazione della filettatura. Ad esempio, prima della deformazione a freddo dei bulloni in acciaio inossidabile martensitico 17-4 PH, la ricottura a 800–850°C può ammorbidire il materiale, ridurre la resistenza durante la formatura a freddo ed evitare la rottura degli elementi di fissaggio o l'eccessiva usura degli stampi, riducendo così i costi di produzione. Inoltre, la ricottura di distensione (un tipo di ricottura) viene utilizzata per trattare gli elementi di fissaggio dopo la saldatura o la lavorazione meccanica, riscaldandoli a 600–800°C e raffreddandoli lentamente per prevenire deformazioni o fessurazioni causate da tensioni residue durante il servizio.

2.3 Tempra e rinvenimento

La tempra e il rinvenimento vengono applicati principalmente agli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile martensitico (come i gradi 410 e 420) e ad alcuni elementi di fissaggio in acciaio inossidabile indurente per precipitazione che richiedono elevata resistenza e durezza, come gli elementi di fissaggio utilizzati in parti meccaniche ad alta sollecitazione e componenti aerospaziali. Il processo si compone di due fasi: tempra e rinvenimento.

La tempra prevede il riscaldamento degli elementi di fissaggio alla temperatura di austenitizzazione (850–1050°C per l'acciaio inossidabile martensitico), trattenendoli per un certo periodo e quindi raffreddandoli rapidamente in olio o acqua per trasformare la matrice austenite in martensite, aumentando così in modo significativo la durezza e la resistenza degli elementi di fissaggio. Tuttavia, gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile martensitico bonificato sono altamente fragili e contengono notevoli tensioni residue, pertanto il rinvenimento deve essere eseguito immediatamente dopo la tempra.

Il rinvenimento comporta il riscaldamento degli elementi di fissaggio temprati a una temperatura inferiore (150–650°C), il loro mantenimento per un certo periodo e quindi il loro raffreddamento a temperatura ambiente. Questo processo riduce la fragilità, allevia le tensioni residue e regola l'equilibrio tra durezza, resistenza e tenacità degli elementi di fissaggio. Ad esempio, i bulloni in acciaio inossidabile 410 utilizzati nei componenti dei motori automobilistici vengono sottoposti a tempra e rinvenimento per raggiungere una durezza di HRC 35–45, garantendo che possano resistere a carichi elevati e vibrazioni ripetute senza deformazioni o fratture.

2.4 Indurimento delle precipitazioni

L'indurimento per precipitazione (noto anche come indurimento per invecchiamento) è un processo di trattamento termico specializzato per elementi di fissaggio in acciaio inossidabile indurente per precipitazione, come i gradi 17-4 PH, 17-7 PH, che sono ampiamente utilizzati nelle industrie aerospaziale, petrolchimica e di produzione di energia grazie alla loro elevata robustezza e buona resistenza alla corrosione. Il processo si compone di tre fasi: trattamento della soluzione, raffreddamento (per ottenere una soluzione solida sovrasatura) e invecchiamento (precipitazione delle fasi di rinforzo).

Innanzitutto, gli elementi di fissaggio vengono sottoposti a un trattamento di soluzione a 1020–1060°C per sciogliere gli elementi leganti (come rame, niobio) nella matrice di austenite, quindi raffreddati rapidamente a temperatura ambiente per ottenere una soluzione solida di martensite o austenite supersatura. Successivamente, viene eseguito un trattamento di invecchiamento a 480–620°C, durante il quale fasi di rinforzo fini e uniformi (come precipitati ricchi di rame) vengono fatte precipitare dalla soluzione solida sovrasatura, migliorando significativamente la resistenza e la durezza degli elementi di fissaggio senza sacrificare la resistenza alla corrosione. Ad esempio, gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile 17-4 PH dopo l'indurimento per precipitazione possono raggiungere una resistenza alla trazione fino a 1170 MPa e una durezza Rockwell C38, rendendoli adatti per componenti aeronautici e apparecchiature petrolchimiche ad alta pressione.

2.5 Indurimento superficiale

Gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile spesso soffrono di grippaggio (saldatura a freddo) durante il montaggio e lo smontaggio, soprattutto in scenari di contatto metallo su metallo con coppie di serraggio elevate. Il grippaggio è causato principalmente da una bassa durezza superficiale, da un'eccessiva ruvidità superficiale o dalla mancanza di lubrificazione e può portare all'inceppamento degli elementi di fissaggio, rendendo estremamente difficile la rimozione senza danneggiare i componenti. L'indurimento superficiale è una soluzione efficace a questo problema, poiché indurisce solo lo strato superficiale (da poche decine di micron) degli elementi di fissaggio, migliorando la resistenza all'usura e all'usura mantenendo la resistenza alla corrosione e la tenacità del materiale di base.

I comuni processi di indurimento superficiale per gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile includono nitrurazione, cementazione e processi proprietari basati sulla diffusione come Kolsterising® e Super Expanite®. Kolsterising®, un processo di diffusione a bassa temperatura, aumenta significativamente la durezza superficiale degli elementi di fissaggio (tipicamente superiore a 1000 HV) senza modificarne le dimensioni o la finitura superficiale, rendendolo adatto per elementi di fissaggio in acciaio inossidabile austenitico e duplex utilizzati in apparecchiature di precisione. Super Expanite® risolve le carenze dei tradizionali processi di indurimento superficiale (come ridotta resistenza alla corrosione e profondità di indurimento ridotta) indurendo sia lo strato più esterno che il materiale sottostante, migliorando ulteriormente la resistenza alla corrosione e all'usura. Questi processi di indurimento superficiale sono ampiamente utilizzati negli elementi di fissaggio per apparecchiature mediche, macchinari di precisione e lavorazioni chimiche, dove la resistenza all'usura e alla corrosione sono fondamentali