3. Il processo produttivo dei tubi
3.4. La ricottura
Prima di iniziare qualsiasi tipo di disquisizione su un qualunque processo termico è bene prendere in considerazione i punti critici dell’acciaio e le curve TTT.
Figura 3.11 – Diagramma TTT dell'acciaio (Temperatura –Tempo – Trasformatione, TTT)
Per punto critico si intende la temperatura alla quale si produce nel corso del riscaldo e del raffreddamento dell’acciaio un cambiamento di fase: I punti critici sono:
AC1 = temperatura alla quale, durante il riscaldo, inizia la formazione di austenite;
AC3 = temperatura alla quale, durante il riscaldo, termina la trasformazione della ferrite in austenite;
AR3 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, inizia la trasformazione dell'austenite in ferrite;
AR1 = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, termina la trasformazione dell'austenite in ferrite + cementite;
Detto ciò ci sarà una breve descrizione di carattere generale della ricottura; nel prossimo paragrafo ci si concentrerà sul cordone di saldatura.
Lo scopo è quello di rendere il materiale lavorabile e diminuirne la durezza e la resistenza, si tratta quindi di addolcirlo per eliminare le tensioni residue e di distruggere gli effetti di una deformazione plastica, di una saldatura o di un trattamento termico precedente.
Esistono vari cicli di ricottura: - completa; - di ricristillazione; - di lavorabilità; - di coalescenza; - isotermica; - subcritica.
Alcuni esempi di ricottura:
- per ricottura in senso stretto, detta anche completa si intende un riscaldo al di sopra dell’intervallo critico AC3 di circa 50 °C, una permanenza per permettere di raggiungere l’equilibrio termico strutturale e un successivo raffreddamento lento nell’intervallo critico tra AC3 e AC1 al punto da ottenere perlite. Una volta raggiunto AC1 il raffreddamento può avvenire anche in ambiente
- per ricottura isotermica si intende un riscaldo a temperatura sopra AC3, permanenza a tale temperatura per un tempo sufficiente ad ottenere nella zona d’interesse l’equilibrio strutturale, raffreddamento ad una velocità relativamente elevata fino ad una temperatura leggermente inferiore ad AC1 ovvero ad una conveniente temperatura del campo perlitico alla quale si permane per il tempo sufficiente a completare la trasformazione in una struttura relativamente dolce di ferrite e carburi.
Figura 3.12– Diagramma TTT dell'acciaio nel
trattamento di ricottura completa Figura 3.13 – Diagramma TTT dell'acciaio nel trattamento
3.4.1 Seam Anneailng
[1]L’obbiettivo del “seam annealing”, ovvero ricottura del cordone di saldatura, è quello di raggiungere determinati standard qualitativi nella struttura dell’acciaio;per far ciò si devono liberare gli atomi di carbonio dal reticolo cristallino del ferro e quindi svincolare il materiale dalla struttura martensitica.
Ci sono tre processi di ricottura fruibili: 1) ricottura in forno a camera;
2) ricottura in forno continuo (riscaldo a resistenza o gas);
3) ricottura ad induzione.
I risultati conseguibili mediante i forni tradizionali sono eccellenti ma i costi di produzione sono alti se paragonati con i processi in linea.
La ricottura in forni continui richiede impianti grandi e onerosi e tale tecnologia non è applicabile alla produzione dei tubi.
Il trattamento ad induzione consente ai costruttori di aumentare la velocità di linea e di produrre un tubo di qualità accettabile.
1) e 2) La ricottura in forno a camera o in continuo dei nastri d’acciaio a basso carbonio comporta un lungo riscaldo (ordine di grandezza: diverse ore – un giorno) a causa della notevole massa da portare in temperatura. La ricottura di per sé è effettuata vicino al punto critico inferiore AC1, intorno a 690 – 730 °C . Durante il mantenimento, avvengono fenomeni di ricristallizzazione e parziale crescita del grano. In aggiunta, i carburi che si sono formati durante il raffreddamento dell’acciaio dopo la laminazione a caldo (eseguita prima della laminazione a freddo), possono ridissolvere. In ogni caso, il raffreddamento controllato in forno (20 °C/h) dei nastri dopo il mantenimento promuove la ri-precipitazione di questi carburi. Poiché l’acciaio è stato raffreddato dalla temperatura di ricottura e tutto il carbonio è rimosso dalla soluzione, i problemi maggiori dati dall’invecchiamento degli acciai dolci, l’aumento della durezza e la diminuzione della duttilità a distanza di tempo dal trattamento, vengono evitati. L’invecchiamento, che avviene a temperatura ambiente, è legato alla precipitazione dei carburi ed è un procedimento ben noto nella pratica della
ricottura dei nastri in forno continuo.
Durante tale trattamento termico, il nastro srotolato passa in un forno a due stadi:
nel primo stadio l’acciaio è portato a 750 – 850 °C per effettuare la ricristallizzazione e la temperatura massima è mantenuta per 40 – 60 secondi;
il secondo stadio riscalda il nastro ad una temperatura inferiore (350 – 400°C) per invecchiare l’acciaio e rimuovere tutto il carbonio dalla soluzione. Senza tale passaggio, il nastro sottile si raffredderebbe troppo velocemente trattenendo il carbonio in soluzione; il carbonio provocherebbe deformazioni, l’invecchiamento e ridurrebbe la formabilità del
Se l’acciaio contiene almeno 0.15% di carbonio ed è raffreddato rapidamente dall’intervallo critico di temperature (A1 < T < A3), le isole di austenite si trasformano in martensite. Se l’acciaio è raffreddato lentamente (<10 °C/sec) dalla temperatura di ricottura ad AC1, non c’è ragione di tipo metallurgico per raffreddare lentamente dopo che la trasformazione dell’austenite si è completata; comunque, il raffreddamento controllato (5 – 8 °C/s) nell’intervallo 510 – 420 °C è necessario per limitare le conseguenze dell’invecchiamento.
Oltre alla ricottura esistono altri processi termici che hanno il medesimo scopo ovvero ridurre le tensioni e ripristinare una struttura cristallina regolare dopo saldatura e laminazione dei tubi; tra questi troviamo il rinvenimento e la normalizzazione.
Il r invenimento è un processo funzione sia della temperatura che del tempo: più alta è la temperatura dell'acciaio, più velocemente gli atomi di carbonio usciranno dal reticolo. Il rinvenimento si verifica a temperature inferiori della temperatura di transizione tra ferrite e austenite AC1 e sperimentalmente viene eseguita tra i 540 °C e 700 °C.
Nella normalizzazione invece il cordone di saldatura viene portato ad una temperatura che lo ritrasforma in austenite e poi raffreddato molto lentamente in modo che si costituisca in forma ferritica; ciò si traduce in un riscaldamento ad una temperatura compresa tra 950 °C e 1100 °C in funzione del tipo di acciaio. È importante notare che per alte temperature nella zona di saldatura aumenta la grossolanità dei grani di metallo creando una zona debole e sensibile alla corrosione.
Figura 3.14– Diagramma di fase dell'acciaio Figura 3.15– Diagramma della temperatura durante la
3.4.1.1 Risultati sperimentali ottenuti nei tubi con la ricottura ad
induzione
[1]Ecco i principali effetti positivi portati dalla ricottura nel processo di formazione dei tubi:
La trattazione seguente riporta le principali proprietà meccaniche degli acciai per nastri e tubi utilizzati da alcune affermate aziende produttrici.
I tubi sono prodotti utilizzando nastri in Fe P04 (DIN St 14), SAE 1008 e DIN RSt 34-2 saldati ad induzione ad alta frequenza e successivamente ricotti da un impianto in linea della Termomacchine.
Tabella 3.1– Composizione degli acciai che costituiscono i tubi in esame
(*) grado SAE 1013
(**) Il Fe P04 in Italia è classificato come un acciaio extra dolce al carbonio.
Tabella 3.2– Proprietà meccaniche dei nastri d'acciaio che costituiranno i tubi
Dove :
Re = Snervamento
Figura 3.16 – Qui sopra la figura di un impianto per il trattamento ad induzione di tubi in Fe
P04. Tubo saldato 10.3 x 0.68 mm ridotto a 4.76 x 0.7 mm attraverso tre passaggi di laminazione a freddo.
Differenza tra le caratteristiche dei nastri e dei tubi:
• I valori minimi di durezza dei tubi trattati ad induzione sono piuttosto alti rispetto al nastro di partenza.
• Il materiale è soggetto ad un processo d’invecchiamento a temperatura ambiente, con conseguente deperimento della duttilità;
• I dati delle prove meccaniche mostrano che la condizione di massimo addolcimento dell’acciaio è solitamente raggiunta trattando i tubi ɸ 8 mm (a parità di parametri di trattamento per entrambi i diametri). Tale comportamento può essere spiegato considerando la struttura e le tensioni residue dopo la lavorazione a freddo: ɸ 8 mm è meno incrudito rispetto ɸ 4.76 mm, il successivo trattamento ad induzione è più efficace sui diametri maggiori.
Figura 3.17 – Figura di un impianto per il trattamento ad induzione di tubi in RSt 34.
Tubo saldato 10.3 x 0.68 mm ridotto a 8.0 x 0.7 mm attraverso un passaggio dilaminazione a freddo.
Figura 3.18 – Qui sopra il caso del tubo di diametro 4.76 mm. Si nota la microstruttura con
ingrandimento originale 1.000 x. I grani originali di ferrite sono stati pesantemente deformati dalla riduzione di diametro
Figura 3.19 – Qui sopra il caso del tubo di diametro 8 mm. Microstruttura, x1000. Tubo dopo
Tabella 3.5 – Proprietà meccaniche dei tubi trattati
(*) Dati forniti dal produttore, valori medi a 0 giorni. (**) Microdurezza sulla sezione trasversale, dall’interno all’esterno, dati Termomacchine.
Specifiche per tubi ricotti (DIN EN 10002): 310 < Rm < 410; A% > 28
Tabella 3.6 – Proprietà meccaniche dei tubi trattati
Nota: al variare della temperature di trattamento le proprietà meccaniche non variano in modo lineare o prevedibile
Tabella 3.7 – Tabella riassuntiva, valori prima e dopo ricottura
Ricordo : Re = Snervamento Rm = Resistenza alla trazione A% = Allungamento alla rottura
HV = Durezza Vickers