Una fase essenziale del trattamento termico dei metalli è la tempra, che consiste nel raffreddare rapidamente un oggetto metallico per ottenere o modificare qualità come durezza, resistenza o tenacità.

Il raffreddamento rapido riduce il tempo di esposizione del metallo alle alte temperature e lo protegge dai difetti. Inoltre, il metallo può subire alterazioni a seconda del metodo di applicazione e del supporto.

L'aria, l'olio, l'acqua e la salamoia sono alcuni dei tipici agenti di tempra.

L'olio è ampiamente utilizzato per lo spegnimento perché trasferisce rapidamente il calore senza distorcere in modo significativo il metallo. Anche se i prodotti di spegnimento caustici a base di acqua sono più veloci, la forza con cui agiscono può causare la frantumazione o la distorsione di alcuni materiali.

La differenza tra olio e acqua è il punto principale da discutere nell'articolo.

Che cos'è il processo di tempra?

La tempra è un processo di raffreddamento rapido che porta all'indurimento dei materiali. La velocità di tempra dipende dalla qualità del materiale, dall'applicazione e dalla composizione dei componenti in lega. Inoltre, influiscono anche diverse proprietà del mezzo di tempra.

Teoricamente, prima della tempra, un materiale metallico o vetroso viene sottoposto a un riscaldamento superiore alla sua temperatura standard, dopodiché viene sottoposto a un raffreddamento rapido per rimuovere immediatamente il calore. Ciò consente di modificare le proprietà della struttura cristallina di un materiale che vengono perse durante il riscaldamento.

Per rendere il metallo o il vetro più duro e rigido come oggetto, spesso lo tempriamo. La temperatura di tempra di un oggetto dovrebbe essere sempre superiore alla sua temperatura di ricristallizzazione ma inferiore alla sua temperatura di fusione.

Fasi del processo di tempra

Due persone che lavorano intorno alla vasca di fusione dell'acciaio

In genere, quando un pezzo caldo si avvicina al liquido di raffreddamento, si verificano tre fasi di tempra che definiscono il cambiamento delle caratteristiche del liquido di raffreddamento e del materiale. Le tre fasi sono:

• Stadio del vapore
• Fase di ebollizione del nucleato
• Fase di convezione

Esaminiamoli ora in modo approfondito.

Stadio del vapore

La fase di vaporizzazione entra in gioco quando la superficie calda del componente entra in contatto con il liquido di raffreddamento, dando luogo alla formazione di uno schermo vaporoso intorno all'elemento. Durante la fase di vaporizzazione si verifica una certa conduzione.

Tuttavia, il principale metodo di trasporto del calore in questa fase è l'irraggiamento attraverso la coltre di vapore. La coltre formatasi è relativamente stabile.

L'unico modo per accelerarne la rimozione è l'agitazione o l'aggiunta di additivi diversi. Inoltre, è preferibile che questa fase sia il più breve possibile.

Il motivo è che contribuisce in modo significativo alle aree morbide che si sviluppano durante la tempra. Pertanto, se si lascia che continuino a svilupparsi, possono svilupparsi microcostituenti indesiderati.

Fase di ebollizione del nucleato

È la seconda fase dopo la fase di vapore. Inizia quando il fluido più vicino alla superficie del materiale inizia a bollire e la fase di vapore inizia a collassare. È la fase più veloce del raffreddamento di un determinato componente.

Grazie alla trasmissione del calore dalla superficie riscaldata e al successivo assorbimento nel liquido di raffreddamento, è possibile ottenere tassi di estrazione del calore notevoli, consentendo al liquido raffreddato di prendere posto in superficie.

Diversi quenchants includono additivi per aumentare la velocità massima di raffreddamento di un fluido. L'ebollizione termina quando la temperatura superficiale del componente scende al di sotto del punto di ebollizione del liquido.

Per i componenti soggetti a distorsione, i mezzi come gli oli e i sali ad alta temperatura offrono buoni risultati, altrimenti i materiali potrebbero diventare fragili e danneggiarsi rapidamente durante le applicazioni desiderate.

Fase convettiva

La convezione è la fase finale del processo e si verifica quando il materiale raggiunge una temperatura inferiore al punto di ebollizione del quenchant. La fase di convezione comporta il trasferimento di calore attraverso il fluido sfuso e il suo punto di partenza è la conduzione.

È la fase più lenta perché il trasferimento di calore richiede molto tempo per raggiungere tutte le molecole all'interno del bulk. Il controllo dell'evacuazione del calore attraverso la convezione coinvolge molte variabili, tra cui il calore specifico del quenchant e la sua conducibilità termica.

La differenza di temperatura tra il refrigerante e il materiale può influenzare il processo di convezione. Di solito, la maggior parte della distorsione avviene in questo punto.

Le tre fasi di tempra sopra descritte avvengono in ordine sparso in un determinato punto; tuttavia, a seconda della geometria del pezzo e dell'agitazione, aree diverse inizieranno le varie fasi in tempi diversi.

Le tre fasi del processo di tempra

Mezzi di tempra

La tempra avviene attraverso qualsiasi mezzo e di seguito sono elencati 4 mezzi diversi, ognuno dei quali ha pro e contro, a seconda delle proprietà, degli elementi a contatto, del tempo, delle leggi di trasferimento del calore e delle relazioni.

1. Aria: Utilizzo di una temperatura ambiente regolare per raffreddare il materiale riscaldato
2. Salamoia: Una soluzione di acqua e sale è il mezzo di raffreddamento più rapido per la tempra.
3. Olio: Un'alternativa affidabile e più rapida all'aria.
4. Acqua: Più veloce dell'aria o dell'olio nello spegnere i liquidi.

Anche se la letteratura contiene una vasta gamma di informazioni sui mezzi di comunicazione di cui sopra, esploriamo i due principali, l'olio e l'acqua.

Tempra dell'acqua

L'acqua ha la proprietà di raffreddare il materiale più rapidamente rispetto all'olio e all'aria, per cui lo spegnimento attraverso l'acqua è un processo rapido.

• La procedura di tempra in salamoia ha una reazione significativamente più dura al momento del raffreddamento rispetto a qualsiasi altra, mentre l'acqua di spegnimento è il metodo più efficace.
• Prima di questo processo, l'acqua deve essere a temperatura ambiente o alla temperatura desiderata. Successivamente, quando il materiale riscaldato viene messo nell'acqua di raffreddamento, cambia le sue fasi in base agli stadi.
• I risultati sono più rapidi con la tempra in acqua. Un altro vantaggio è che si tratta di un metodo di raffreddamento rapido, quindi è il meno costoso sia in termini di denaro che di tempo. Tuttavia, naturalmente, i risultati rapidi comportano anche notevoli svantaggi.
• Lo svantaggio di prodotti finali rigidi, fragili e facilmente frangibili deriva da questa velocità rapida o istantanea. Il materiale temprato può essere etichettato come di buona o cattiva qualità.
• La tempra in acqua è un'opzione valida nel caso della tempra dell'acciaio. Il motivo è che l'acciaio ha un modo unico di raffreddarsi che può essere raggiunto attraverso l'acqua. L'acciaio carbonizzato si riscalda al di sopra della sua temperatura di ricristallizzazione.
• Raffreddando immediatamente l'acciaio, la tempra in acqua evita che l'acciaio si sciolga in questa fase, quando altrimenti fonderebbe se non fosse fermato. Pertanto, la tempra in acqua è più adatta all'acciaio rispetto agli altri mezzi.

Tempra dell'olio

Una delle tecniche di tempra più diffuse nel settore della tempra dei metalli è la tempra in olio, un metodo ottimale per la tempra delle leghe metalliche che conferisce loro la durezza e la potenza necessarie senza provocarne l'irrigidimento e la fragilità durante il processo.

La tempra in olio presenta diversi vantaggi, ma il principale è che si riscalda più lentamente rispetto ad altri mezzi di tempra e si raffredda più a lungo, conferendo al materiale riscaldato maggiore stabilità e tempo di indurimento.

Inoltre, questo metodo garantisce che il materiale temprato non sia eccessivamente fragile e che si mantenga perfettamente. Pertanto, è preferibile rispetto ai metodi ad acqua, aria o salamoia perché riduce la possibilità che il corpo del metallo temprato si distorca o si incrini.

La tempra è un processo di raffreddamento rapido

Differenza tra tempra in acqua e in olio

L'acqua e l'olio sono due tipi di fluidi diversi. Entrambi si distinguono per alcuni aspetti e si comportano in modo diverso durante lo spegnimento. La tabella seguente riassume una panoramica delle differenze tra i due fluidi.

Tempra in acqua vs. tempra in olio

Conclusione

• Una procedura di raffreddamento rapida, chiamata tempra, provoca l'indurimento dei materiali. I gradi, le applicazioni e la composizione dei componenti di lega dell'acciaio influenzano la velocità di tempra.
• La velocità con cui una sostanza si raffredda dipende anche dalle caratteristiche del liquido di raffreddamento. In questo articolo sono stati messi in evidenza i mezzi a olio e ad acqua. Entrambi sono unici a seconda delle diverse applicazioni.
• L'olio è ottimo per lo spegnimento perché trasmette rapidamente il calore senza alterare il metallo. Sebbene i prodotti caustici a base d'acqua siano più rapidi, la potenza con cui agiscono è potenzialmente in grado di fratturare o distorcere alcuni materiali.