tempra

(o tempera) In tecnologia, raffreddamento rapido di un materiale allo scopo di conferire al materiale stesso (per es. metalli e leghe, vetro, materie plastiche, clincher) particolari caratteristiche meccaniche o di evitare l’insorgere di reazioni secondarie o successive (t., o quenching, dei prodotti, liquidi o gassosi, di una trasformazione chimica).

T. del vetro

Consiste in un riscaldamento a temperatura di poco inferiore a quella di rammollimento, seguito da un raffreddamento rapido ottenuto mediante energici getti di aria fredda inviati sul pezzo appena estratto dal forno; ha essenzialmente lo scopo di aumentare la resistenza a flessione del vetro (e ciò ha particolare significato nel caso di lastre piane o curve) e anche di modificare notevolmente la forma e le dimensioni dei frammenti che si originano in caso di rotture accidentali.

T. di metalli e leghe

Consiste di norma in un riscaldamento a temperatura conveniente (inferiore a quella di fusione del metallo considerato), in una permanenza alla prescritta temperatura per un congruo periodo di tempo, seguita da un raffreddamento rapido; ha lo scopo di ottenere determinate caratteristiche fisiche e proprietà meccaniche del materiale, attraverso particolari modificazioni della sua struttura cristallina. La t. assume grande importanza per gli acciai, sia comuni sia speciali, ma anche le ghise, le leghe di rame e le leghe leggere sono di frequente sottoposte a tempra.

Negli acciai, un trattamento termico di t. consente principalmente di ottenere un elevato incremento della durezza, cui sono associati un aumento della resistenza a trazione e del limite di elasticità, nonché una diminuzione della resilienza, dell’allungamento a rottura e della strizione trasversale. All’incirca gli stessi effetti si hanno nelle ghise e nelle leghe leggere; mentre nelle leghe di rame, al contrario, si manifesta una diminuzione della durezza, per cui in questo caso si parla, sia pure impropriamente, di t. negativa. A rigore, è possibile parlare di t. strutturale solo nel caso degli acciai, cioè delle leghe ferro-carbonio (➔ ferro): infatti, per tali materiali lo scopo della t. è quello di rendere stabile a basse temperature (temperatura ambientale) un certo tipo di struttura cristallina, attraverso un opportuno ciclo termico di riscaldamento e successivo raffreddamento (➔ trattamento).

Trattamento di t. degli acciai

Fasi del trattamento. Per una buona riuscita del trattamento di t. occorre che l’acciaio sia riscaldato e venga mantenuto per un tempo sufficiente a una temperatura atta a provocare nella struttura cristallina la completa trasformazione in austenite. Tale temperatura ottimale, che dipende dal tenore di carbonio presente nell’acciaio, deve essere superiore al punto critico A3. In pratica, si riscalda non oltre 40-50 °C al di sopra del suddetto punto critico, per evitare ingrossamenti eccessivi del grano cristallino austenitico, ciò che potrebbe causare, nel rapido raffreddamento, l’insorgere di tensioni interne tali da indurre fragilità nell’acciaio temprato. La velocità di riscaldamento deve essere moderata e risulta legata alle dimensioni trasversali del pezzo. La fase di riscaldamento viene eseguita in appositi forni. Negli impianti industriali di grande serie un opportuno valore della velocità del nastro trasportatore consente al pezzo di permanere nel forno per un tempo di riscaldamento predeterminato.

Quando l’acciaio viene successivamente raffreddato, l’austenite si trasforma in strutture finali diverse, a seconda della velocità di raffreddamento. Si distinguono due casi estremi: a) se il raffreddamento è lento, in ragione di 30-40 °C/h, l’austenite si trasforma in una soluzione solida di perlite e ferrite oppure di perlite e cementite, a seconda che la percentuale di carbonio presente nell’acciaio sia minore di 0,8 % (acciai ipoeutettoidi), oppure maggiore dello 0,8 % (acciai ipereutettoidi). Il ferro γ (o austenite), caratterizzato da un reticolo cristallino cubico a facce centrate, alla temperatura corrispondente al punto critico Ar3 si trasforma in ferro α, caratterizzato da un reticolo cristallino cubico a corpo centrato; tuttavia, una lenta discesa della temperatura in fase di raffreddamento consente agli atomi di carbonio in eccesso di uscire dal reticolo senza difficoltà; b) se invece il raffreddamento è molto rapido, in ragione di 400-500 °C/s, la trasformazione di ferro γ in ferro α avviene a temperature assai minori di quella minima (723 °C) alla quale avverrebbe nel raffreddamento normale, cioè lento. Di conseguenza, il reticolo che viene a formarsi conterrà un eccesso di atomi di carbonio, che restano inclusi nel reticolo non avendo avuto il tempo necessario per uscirne. Questi atomi immobilizzati causano notevoli distorsioni reticolari e tensioni interne che rendono assai difficile il mutuo scorrimento dei cristalli: ciò spiega l’aumento di durezza e di resistenza a trazione del materiale. Il nuovo costituente strutturale di lega, che è una soluzione soprassatura di carbonio (cementite Fe3C) nel ferro α, si chiama martensite e rappresenta il costituente tipico degli acciai temprati.

Con velocità di raffreddamento intermedie tra quelle relative ai casi estremi sopra descritti, si ottengono dall’austenite altre strutture, dette di transizione, che prendono il nome di sorbite, troostite e bainite per velocità di raffreddamento crescenti.

Si chiama velocità critica di raffreddamento la più bassa velocità di raffreddamento dell’acciaio con la quale è possibile ottenere la struttura martensitica; essa è tanto più elevata quanto minore è la percentuale di carbonio presente. Inoltre, la velocità critica di raffreddamento è tanto più bassa quanto più l’acciaio è legato, e una velocità di t. ridotta comporta numerosi vantaggi pratici, come per es., minori distorsioni e minor rischio di formazione di cricche. La temperatura alla quale inizia la formazione della martensite è indicata con il simbolo Ms e dalla sua conoscenza dipende la scelta del mezzo raffreddante più idoneo. La temperatura di fine formazione della martensite (dall’austenite), simbolicamente indicata con Mf, non ha invece grande importanza.

Per quanto riguarda il fluido impiegato nella fase di raffreddamento, la sua scelta dipende dalla maggiore o minore velocità di raffreddamento richiesta; si utilizzano frequentemente acqua, soluzioni saline, olio minerale e sali fusi. L’indice di drasticità di un bagno d’immersione per t. è l’efficacia del raffreddamento operato dal fluido: assunto uguale a 1 l’indice di drasticità dell’acqua distillata, in stato di quiete e alla temperatura di 20 °C, si possono ricavare sperimentalmente i valori di tale indice per gli altri mezzi raffreddanti.

Tipi di tempra. Per i vari tipi di t. che possono essere effettuati sugli acciai, vale la seguente classificazione: a) t. ordinaria, o diretta, o di durezza, che consiste nel riscaldare l’acciaio a temperatura superiore al punto critico A3 per gli acciai ipoeutettoidi e al punto critico A1 per gli acciai ipereutettoidi; permanenza a tale temperatura per consentire la formazione dell’austenite; raffreddamento rapido, in modo da ottenere la completa trasformazione dell’austenite in martensite; b) t. isotermica o bainitica, caratterizzata da un raffreddamento meno rapido del caso precedente; c) t. termale o in due tempi, in cui prima di giungere al punto Ms di inizio della formazione della martensite si arresta il raffreddamento per un tempo sufficiente affinché la temperatura possa uniformarsi in tutti i punti del pezzo, quindi si completa il raffreddamento con il risultato che la struttura martensitica, formatasi uniformemente, è immune da pericolose tensioni interne; d) t. dolce, che ha lo scopo di indurre nell’acciaio una durezza limitata; si riscalda quindi di meno, fino a ottenere una austenitizzazione parziale, e si raffredda in un bagno d’olio a una temperatura di circa 450 °C, per avere una struttura finale mista di perlite e troostite; e) t. superficiale o differenziale, che produce una modificazione strutturale limitata alla superficie del pezzo (profondità di t. di 4-5 mm ca.), lasciando inalterata la struttura originaria interna. Il riscaldamento viene effettuato con un cannello ossiacetilenico (t. al cannello o alla fiamma, o fiammatura), oppure per mezzo di correnti indotte (t. a induzione). La t. è sempre seguita da un trattamento termico di rinvenimento e l’insieme delle due operazioni prende il nome di bonifica.