Trattamenti termici superficiali.

La nitrurazione e la cementazione sono trattamenti termici che conferiscono elevata durezza superficiale ai organi meccanici trattati per resistere all'usura durante il loro funzionamento.

Trattamento termico

Alcuni organi meccanici, come ruote dentate, alberi, cuscinetti, pistoni, ecc. richiedono una elevata durezza in superficie, per resistere all'usura nelle zone di contatto.

Nel contempo i pezzi, sollecitati in tempi brevi e ripetutamente, richiedono elevata tenacità nel cuore e resistenza.

La durezza e la tenacità sono due proprietà in antitesi, cioè non sono mai possedute da uno stesso materiale. Ad esempio, un acciaio a basso tenore di carbonio è tenace, ma è poco duro, mentre un acciaio ad alto tenore di carbonio è duro, ma non è tenace.

Per risolvere questo problema si può procedere in due modi: Si rende diversa la struttura del pezzo fra cuore e superficie, mediante un trattamento termico detto di tempra superficiale.

Oppure, si rende diversa la composi zione chimica fra cuore e superficie mediante trattamenti, detti termo-chimici, di cementazione e di nitrurazione.

La tempra superficiale

La tempra superficiale consiste nel riscaldare un leggero strato superficiale dell'acciaio sopra il punto critico A3 usando un mezzo molto rapido, e nel temprare la zona riscaldata in modo da ottenere la struttura martensitica solo in superficie.

La tempra superficiale consiste quindi in una modificazione della struttura dell'acciaio solo sulla superficie del pezzo, lasciando al cuore la struttura originaria.

Gli acciai adatti a questo tipo di trattamento termico devono essere temprabili; devono, cioè possedere un contenuto di carbonio non minore dello 0,4%.

Siccome la tempra superficiale viene eseguita su pezzi che devono possedere tenacità al cuore, come ingranaggi e alberi, prima di questo trattamento l'acciaio deve essere ricotto o normalizzato.

La profondità di tempra varia da 4 a 5 mm.

Esecuzione del trattamento

Il riscaldamento deve avvenire in un tempo rapidissimo. Solo la zona superficiale, infatti, deve raggiungere la temperatura di austenizzazione per potersi, di conseguenza, temprare.

Il raffreddamento, anch’esso rapido, viene effettuato, per spruzzo o per immersione, per mezzo di un liquido refrigerante.

I metodi per eseguire la tempra superficiale sono due:

  1. Fiammatura.
  2. Riscaldamento per induzione.

Fiammatura

Il pezzo viene riscaldato con un cannello ossiacetilenico e quindi investito da un getto di liquido refrigerante.

Variando opportunamente il tempo durante il quale si applica la fiamma in un certo punto, si possono ottenere spessori di indurimento superficiale variabili da 1 a 5 mm..

Riscaldamento per induzione

Il pezzo viene posto all'interno di una bobina percorsa da corrente alternata ad alta frequenza e si riscalda per effetto delle correnti indotte generate dal campo magnetico della bobina stessa.

Lo spessore riscaldato è tanto più piccolo quanta più alta è la frequenza della corrente. Successivamente il pezzo viene immerso in acqua e subisce la tempra superficiale.

Poiché il cuore del pezzo non ha subito il riscaldamento, non subirà neppure le trasformazioni strutturali.

Trattamenti termochimici di indurimento superficiale

I trattamenti termochimici hanno lo scopo di far assorbire, attraverso la superficie di un pezzo, un elemento chimico estraneo, atto a conferire alla superficie stessa elevata durezza.

I trattamenti termochimici modificano la composizione chimica dell'acciaio, ma solo nella zona superficiale, in quanto l'elemento chimico usato allo scopo non penetra in profondità oltre certi spessori.

I trattamenti termochimici più importanti sono:

  • Nitrurazione in cui l'agente di indurimento è l'azoto.
  • Cementazione in cui si arricchisce la superficie di carbonio.

Nitrurazione

La nitrurazione è un trattamento termochimico di indurimento superficiale, i in cui l'elemento indurente è l'azoto .

Il processo consiste nell'esporre i pezzi di acciaio, riscaldati in forno elettrico a 500 °C, ad una lenta corrente di ammoniaca gassosa, che ha il compito di cedere azoto all'acciaio.

Gli acciai adatti alla nitrurazione sono acciai legati, prodotti espressamente dalle case produttrici. Gli acciai da nitrurazione contengono dallo 0,3 % allo 0,4 % di carbonio con altri elementi indispensabili al processo, quali cromo, alluminio, molibdeno e vanadio (es. 38 Cr Al Mo 7).

Gli acciai, prima della nitrurazione vengono bonificati, per aumentare nel cuore le caratteristiche meccaniche.

Impianto e processo di nitrurazione

L'impianto per la nitrurazione è costituito da:

  • bombola contenente ammoniaca.
  • depuratore.
  • forno in cui vengono collocati i pezzi.

Il forno serve per mantenere la temperatura dei pezzi fra i 500 e i 520 °C. L'ammoniaca gassosa proveniente dalla bombola entra nel forno e si dissocia nei suoi componenti: idrogeno e azoto.

L'azoto si combina con gli elementi contenuti in lega nell'acciaio e forma composti chimici durissimi, detti nitruri.

Vantaggi e svantaggi della nitrurazione

La durezza ottenibile è la più elevata fra tutte quelle ottenibili con i trattamenti termici superficiali (fino a 72HRC).

La durata dell'operazione è molto lunga (da 20 a 50 ore). Lo spessore dello strato nitrurato varia da 0,05 mm fino a 0,55 mm, secondo il tempo di esposizione dei pezzi (0,1 mm ogni 10 ore).

La nitrurazione ha il vantaggio di avvenire a temperature che non modificano la struttura dell'acciaio. Per questa ragione viene eseguita su pezzi già finiti, senza il pericolo di deformazioni o cricche.

La nitrurazione, inoltre, non richiede altri successivi trattamenti termici, quali quelli richiesti dalla cementazione.

Rispetto agli altri trattamenti termochimici, la nitrurazione presenta lo svantaggio di un alto costo degli impianti e di tempi lunghi di esecuzione.

Lo strato nitrurato, inoltre, è molto fragile. Il trattamento è applicabile solo ad alcuni acciai speciali e viene eseguito solo su pezzi finiti, che non debbano essere sottoposti ad ulteriori lavorazioni.

Rispetto agli altri trattamenti termochimici, la nitrurazione presenta lo svantaggio di un alto costo degli impianti e di tempi lunghi di esecuzione.

Cementazione

La cementazione e un trattamento termico per mezzo del quale si provoca la diffusione di carbonio nell'acciaio.

Lo scopo della cementazione è ottenere pezzi tenaci all'interno e duri in superficie. Lo spessore cementato può essere di qualche millimetro, a seconda della durata del trattamento.

Sono adatti alla cementazione gli acciai con tenore di carbonio inferiore allo 0,2% di carbonio. I prodotti chimici usati per cedere il carbonio all’acciaio sono detti cementi e possono essere solidi liquidi o gassosi

Nella parte superficiale l'acciaio sarà ipereutettoide, con tenore di carbonio superiore allo 0,77 %. Gli strati successivi saranno di acciaio eutettoide, con tenore di carbonio pari allo 0,77%.

Infine si avranno strati sempre più dolci, che dopo circa 2 mm raggiungeranno un tenore di carbonio uguale a quello di partenza.

Gli strati di acciaio ad alto contenuto di carbonio diventano duri se dopo la cementazione, vengono temprati in modo da ottenere una struttura martensitica.

Cementazione solida

Per la cementazione solida si usano come elementi cementati polvere di carbone di vegetale miscelato con carbonato di bario (Ba Co3). La polvere di carbone ha la funzione di cedere il carbonio, producendo ossido di carbonio (CO), mentre il carbonato di bario funge da acceleratore del processo di assorbimento del carbonio.

La velocità di penetrazione è compresa fra 0,1 e 0,2 mm per ogni ora di permanenza in forno, secondo il tipo di acciaio.

La profondità di cementazione va da 0,3 a 2 mm.

La permanenza in forno dipende dallo spessore di cementazione che si vuole ottenere. La temperatura del forno e portata sui 900-950°C per ottenere la trasformazione della struttura dell'acciaio in austenite.

L'austenite, infatti, ha la possibilità di assorbire più facilmente il carbonio.

Esecuzione del trattamento

L'operazione di cementazione avviene in tre fasi:

  • Fase di preparazione.
  • Fase di cementazione e controllo.
  • Fase di trattamento termico.

Fase di preparazione. Per facilitare l'assorbimento del carbonio da parte dell'acciaio si esegue un trattamento termico preliminare di ricottura.

I pezzi da cementare vengono disposti entro speciali cassette per cementazione, in modo da assicurare un ottimo contatto con la polvere cementante.

Il coperchio è sigillato con argilla, per impedire l'entrata di aria. Una volta disposti i pezzi a strati alterni con la polvere cementante la cassetta è messa in forno.

Fase di cementazione e controllo. Una delle pareti della cassetta e provvista di alcuni fori, nei quali vengono introdotte le provette, costituite da tondini di acciaio di 5 mm di diametro.

Queste provette, che sporgono dalla cassetta e hanno l'altra estremità immersa nella polvere cementante, verranno estratte durante il trattamento per controllare la profondità di cementazione.

Per controllare la profondità di penetrazione del carbonio si estraggono successivamente i vari provini, si temprano, si spezzano ad una estremità e si esaminano al microscopio.

Se lo spessore cementato ha raggiunto il valore richiesto si interrompe il trattamento.

Fase di trattamento termico. Dopo aver estratto i pezzi dalla cassetta e averli puliti dai residui di polvere, si esegue una prima tempra per affinare il grano fortemente ingrossato dalle alte temperature.

Si esegue quindi una seconda tempra per esaltare la durezza superficiale conferita dalla cementazione, ottenendo così la struttura martensitica.

È buona norma far seguire alla seconda tempra un rinvenimento di distensione a 150-180 °C per 2 ore, allo scopo di attenuare le tensioni del pezzo.

La cementazione liquida

La cementazione liquida viene esegui ta immergendo i pezzi in un bagno cementante riscaldato ad alta temperatura (900 °C circa) e costituito da sali a base di cianuro (il cianuro è un composto chimico ricco di carbonio) e azoto.

La cementazione per via liquida è molto più veloce di quella per via solida. In genere si impiegano tre ore per avere 1 mm di profondità di cementazione.

La cementazione liquida è indicata per pezzi di piccole dimensioni e per piccole produzioni. L'azoto, che si diffonde nell'acciaio, ne aumenta la fragilità.

Il processo è pericolosissimo, perché i sali di cianuro e i gas che si sprigionano durante [operazione di cementazione sono molto velenosi.

Esecuzione del trattamento

La cianurazione viene eseguita in un forno a bagno di sali. Il sale è mantenuto allo stato di fusione a 900 °C.

I pezzi contenuti entro i cestelli a maglie larghe vengono immersi nei sali. Trascorso il tempo necessario per ottenere lo spessore voluto di cementazione, facilmente controllabile per mezzo di provini immersi nel bagno, i pezzi vengono estratti, lasciati sgocciolare un attimo e direttamente temprati.

In questo trattamento non occorre effettuare la doppia tempra, perché il tempo di permanenza nei sali è più breve e perciò il grano dell'acciaio risulta meno ingrossato.

La cementazione gassosa.

La cementazione gassosa viene eseguita in forni speciali a chiusura ermetica, in un ambiente costituito da gas capaci di cedere carbonio.
L'ambiente carburante può essere prodotto bruciando in assenza di aria:

  • Gas metano, propano o gas di città.
  • Idrocarburi liquidi (gasolio, nafta).

Le pareti del forno sono munite di numerosi ugelli che, in aggiunta ad uno o più ventilatori, distribuiscono uniformemente il gas in tutta la camera del forno.

La cementazione gassosa è adatta per pezzi di grosse dimensioni o per grosse produzioni. Il processo è rapido, come quello della cementazione liquida, ma molto meno pericoloso.

Trattamenti termici successivi alla cementazione.

La cementazione, comunque eseguita, deve essere seguita da un ciclo di trattamenti termici, allo scopo di conferire massima durezza alla superficie cementata e resistenza e tenacità al cuore del pezzo.

Molti difetti, come una insufficiente durezza o la presenza di zone tenere, che si attribuiscono alla cementazione, sono invece da attribuirsi ad errori commessi nei trattamenti termici successivi.
I trattamenti termici più usati sono:

  • Tempra diretta e rinvenimento.
  • Doppia tempra e rinvenimento.
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