Austenite

Il trattamento termico dell’acciaio comporta spesso il riscaldamento di un componente nella regione dell’austenite (alias campo di fase austenite) per eseguire un trattamento termico come la normalizzazione, la tempra, la cementazione, ecc. Ma cos’è l’austenite, come si forma e quale intervallo di temperatura è più favorevole al processo che stiamo eseguendo?

Che cos’è l’austenite?

Nel 1901 Floris Osmund, un pioniere francese della metallografia, propose di chiamare la struttura cristallina ad alta temperatura dell’acciaio con il nome di Sir William Chandler Roberts-Austen, un metallurgista noto per le sue ricerche sulle proprietà fisiche dei metalli e delle loro leghe.

L’austenite (alias ferro gamma, g-Fe) è un allotropo metallico, non magnetico (un materiale che può esistere in più di una forma cristallina a seconda della temperatura) del ferro. L’austenite è una soluzione solida che spesso combina il ferro con vari elementi di lega (per esempio, il carbonio). Si può dire che la scienza della lavorazione dell’acciaio si basa sulla comprensione del campo di fase dell’austenite nel diagramma di fase ferro-carbonio (Fig. 1).

Come osserva Krause, “la trasformazione controllata dell’austenite in altre fasi durante il raffreddamento è responsabile di una grande varietà di microstrutture e proprietà ottenibili dal trattamento termico degli acciai.”

Crescita dei grani austenitici

La formazione di austenite nelle microstrutture (Fig. 2) è stata ampiamente studiata. Per gli acciai al carbonio semplici, l’austenite può formarsi dalla perlite o anche da una struttura altamente sferoidale in un periodo di tempo molto breve – nell’intervallo di 4-25 secondi ed essere completa dopo 60 secondi – ma negli acciai legati il tempo può aumentare di cento volte o più (Fig. 3) poiché gli elementi di lega e i carburi richiedono più tempo per la diffusione.

Dimensione del grano austenitico e proprietà meccaniche

La dimensione del grano dell’austenite è importante perché influenza i prodotti di trasformazione formati durante il raffreddamento e, di conseguenza, le proprietà relative alla temprabilità e alla microstruttura. La granulometria dell’austenite è comunemente indicata come granulometria dell’austenite precedente, poiché l’austenite trattenuta presente a temperatura ambiente non influenza l’austenite madre. La dimensione del grano austenitico precedente può influenzare significativamente proprietà come la tenacità, che diminuisce all’aumentare della dimensione del grano. Va notato qui che rivelare questa struttura comporta tecniche di incisione piuttosto sofisticate (vedi “Grain Size and Its Influence on Material Properties”).

Piccole aggiunte (nell’ordine dello 0,1%) di alcuni elementi di lega (Nb, V, Ti) producono carburi, carbonitruri o nitruri; influenzano il controllo della dimensione del grano e il rafforzamento; e costituiscono la base per gli acciai microleganti. Le particelle di microlega finemente disperse ritardano la crescita del grano austenitico, specialmente a temperature più alte (tramite il cosiddetto pinning dei confini del grano).

Temperatura di austenitizzazione – un approccio pratico

In termini pratici, si vuole lavorare alla più bassa temperatura di austenitizzazione per il minor tempo possibile, al fine di limitare la crescita del grano, minimizzare l’influenza del creep e degli effetti superficiali indesiderati (ad es, ossidazione, IGO/IGA), ridurre la manutenzione, estendere la vita dei forni di trattamento termico, ridurre i costi di fissaggio della lega e minimizzare la distorsione riducendo il differenziale di temperatura tra la temperatura del pezzo e il mezzo di tempra.

La scelta della temperatura di austenitizzazione dipende sia dal contenuto di carbonio che di lega – un acciaio a basso carbonio richiede una temperatura più alta di un acciaio ad alto contenuto di carbonio. Anche il contenuto di lega gioca un ruolo influenzando i confini del campo di austenite (vedi “Influenza degli elementi di lega sul campo di fase dell’austenite”).

Inoltre, i carburi di lega spesso richiedono temperature più alte per dissolversi e disperdersi a causa di velocità di diffusione inferiori rispetto al carbonio. Inoltre, la variazione della velocità di riscaldamento alla temperatura di austenitizzazione influenza la velocità di trasformazione e dissoluzione dei vari costituenti di lega presenti (Fig. 4). Nella Fig. 4, per esempio, la terza curva da destra rappresenta una velocità di riscaldamento di circa 3˚C (5˚F) al minuto.

Il diagramma di equilibrio ferro-carbonio delinea il campo di fase dell’austenite per ferri e acciai. All’aumentare del contenuto di carbonio, la temperatura A3 (il limite inferiore del campo dell’austenite) diminuisce fino a raggiungere la composizione eutettoide – 725˚C (1340˚F) allo 0,80% C. Per un acciaio allo 0,40% di carbonio, il campo della fase austenite inizia a 915˚C (1500˚F). Al contrario, il campo di fase dell’austenite nel ferro puro inizia a 912˚C (1674˚F) e termina a 1394˚C (2541˚F).

Lavorazione a caldo

Infine, va notato che la lavorabilità degli acciai (es, laminazione, forgiatura) è migliorata nel loro stato austenitico, rispondendo alla lavorazione a caldo per deformazione, recupero, ricristallizzazione e crescita del grano. La dimensione del grano austenitico diminuisce con la riduzione delle temperature di lavorazione a caldo.

Conclusione

L’austenite gioca un ruolo unico nel trattamento termico dell’acciaio e l’argomento richiede una comprensione più profonda di quella presentata qui. I riferimenti elencati contengono una ricchezza di buone informazioni sull’austenite, e il lettore è incoraggiato a studiare questo argomento più a fondo.