G. M. La Vecchia Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Brescia

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1 G. M. La Vecchia Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Brescia Solubilizzazione Cementazione Nitrurazione Tempra di soluzione ed invecchiamento Coltre bianca cementato Nitrurazione 550 C x 18 h

2 La tempra degli acciai inossidabili austenitici o solubilizzazione Il trattamento ha lo scopo di evitare la messa in esercizio di pezzi che presentino carburi di cromo precipitati a bordo grano (acciaio sensibilizzato) per assicurare la resistenza alla corrosione.

3 La tempra degli acciai inossidabili austenitici o solubilizzazione Il trattamento consiste in un riscaldamento a T>1000 C con permanenza sufficiente a mandare in soluzione tutti i precipitati seguito da un raffreddamento in acqua (mezzo drastico per evitare la riprecipitazione durante il raffreddamento). Curva rossa: acciaio C = 0,02% non sensibilizzato C = 0,06% sensibilizzato

4 Trattamenti termochimici Sfruttano il fenomeno della diffusione in fase solida al fine di modificare la composizione chimica dello strato superficiale delle leghe e conferire loro determinate proprietà (durezza, resistenza all usura, resistenza all ossidazione a caldo, resistenza a fatica) Si distinguono da quegli interventi a carico della superficie che modificano le proprietà superficiali a seguito della deposizione di uno strato di materiale (rivestimento) diverso dal metallo base (altro metallo, materiale ceramico, ecc.). %Cr Es. 1. Cromatura 2. Cromizzazione %Cr Rivestimenti PVD in TiN e CrN

5 Esempio: proprietà funzionali di un ingranaggio Richieste funzionali: 1. Migliorare la resistenza all usura 2. Migliorare la fatica da contatto 3. Evitare rotture per fatica 4. Garantire una buona resistenza alla corrosione 1. Scegliere il materiale e il trattamento termico in grado di incrementare la durezza superficiale (es. cementazione o nitrurazione) 2. Valutare le sollecitazioni applicate nella zona di contatto 3. Curare la forma del raccordo ed evitare di avere stati tensionali residui di trazione 4. Scegliere il lubrificante corretto per la lega metallica prescelta

6 Cementazione Obiettivo: ottenere componenti in acciaio che abbiano uno strato superficiale con elevata durezza, unitamente ad un cuore meno duro e resistente, ma tenace Strato indurito efficace: HV = 550 dopo cementazione + tempra + distensione 550 Campione metallografico lucidato ed attaccato S Costruzione del profilo di microdurezza

7 Gli acciai da cementazione hanno C < 0,2% per favorire la diffusione del C nell acciaio serve: - un gradiente di concentrazione di C tra superficie cuore - un riscaldamento in campo γ per garantire una elevata durezza della superficie (C 0,8%) e un cuore tenace e resistente agli urti il pezzo cementato presenterà un profilo della concentrazione di carbonio sfruttato per assicurare la formazione di martensite in superficie %C La cementazione è influenzata anche dagli elementi di lega: favorita da quelli che formano carburi (Cr, W, Mo) sfavorita da quelli che formano soluzioni solide (Ni, Si, Al)

8 Profondità di cementazione: da qualche decimo a qualche mm sezione ingranaggio cementato profondità di cementazione 0,8 mm Durezza max raggiungibile:~ 800 HV (dopo tempra)

9 Parti cementate Elementi di fissaggio (es. viti autofilettanti, bulloni, dadi e rondelle) Pezzi per l'industria automobilistica Sedi per cuscinetti, sfere, aghi e guide Utensili per tranciare Catene, perni e rulli Utensili a mano, lame per sega, cacciaviti Aghi da cucito e da maglia.

10 Nitrurazione Trattamento di diffusione con azoto, su materiali ferrosi (ghise, acciai al C, acciai legati) in campo ferritico, T (450 C 590 C) Coltre bianca 42CrMo4 Obiettivo: ottenere elevata resistenza all usura e migliorare la resistenza a fatica, sfruttando il fenomeno di indurimento per precipitazione di nitruri o carbonitruri nello strato di diffusione 42CrMo4Nitriding

11 Temperatura, C γ ε 600 α ε 500 γ 400 ζ Fe % N Fe 4 N Fase α: soluzione solida di azoto in Feα, con % max di azoto ~ 0,1% a T= 590 C Fase γ: soluzione solida di azoto in Feγ e caratteristiche morfologiche dell austenite, con % max di azoto ~ 3% Fase γ : composto interstiziale Fe 4 N (% azoto ~ 6%) nitruro molto duro (~750 HB) Fase ε: soluzione solida a struttura esagonale con % max di azoto ~ 11% nitruro molto duro Fase ζ: soluzione solida a struttura esagonale Fe 2 N, con % di azoto (11% 11,3% ) nitruro molto duro ma molto fragile indesiderato A 590 C e a 2,35% di N composto eutettoidico (braunite) molto fragile indesiderato T nitrurazione < 590 C

12 Strati caratteristici: 1) 2) coltre bianca (max μm) se formata da nitruri complessi a cristallizzazione tetragonale o e.c. zona dei composti (max μm) se formata da carbonitruri complessi a cristallizzazione tetragonale o e.c. (Fe, Al, Cr) 2 N o nitruri ε e corrispondenti carbonitruri complessi strato di diffusione (0,1 0,8 mm) indurito per precipitazione di nitruri e/o carbonitruri soprattutto Fe 4 N ma anche nitruri ε tendono a precipitare nella matrice metallica e/o a reagire con la cementite o i carburi presenti generando carbonitruri complessi coltre bianca o zona dei composti strato di diffusione

13 La nitrurazione viene eseguita su acciai: allo stato bonificato (temprati e rinvenuti) aventi specifici requisiti per quanto riguarda la composizione chimica acciai legati con elementi che hanno maggiore affinità verso l azoto del ferro (Al, V, Cr e Mo) nitruri complessi meno fragili dei nitruri di ferro %C > 0,2 carbonitruri meno fragili dei nitruri Essendo l ultimo trattamento che si effettua sul pezzo e non comportando trasformazioni di fase con elevata variazione di volume non porta a sensibili distorsioni

14 Vantaggi della nitrurazione rispetto alla cementazione durezza superficiale più elevata durezza costante per riscaldamenti fino a ~ 500 C (per gli strati cementati fino a ~ 200 C) trattamento finale, non induce ossidazione o deformazione dei pezzi assenza pericolo ingrossamento grano nel corso del trattamento HV nitrurazione 200 cementazione 0 0 0,8 1,6 2 spessore (mm) HV nitrurazione cementazione T riscaldamento ( C)

15 Svantaggi della nitrurazione rispetto alla cementazione strato indurito più sottile minori carichi specifici sopportabili ciclo di produzione più lungo e costoso acciai da utilizzare più costosi per gli elementi di lega presenti Esempi di utilizzo: ingranaggi,cilindri oleodinamici, stampi per materie plastiche e pressocolata di leghe leggere, cilindri per la lavorazione della carta, data la buona resistenza all usura

16 Proprietà di alcuni metalli puri Al Mg Ti Cu Fe struttura cristallina c.f.c. e.c. e.c. c.f.c. c.c.c. massa volumica (kg/dm 3 ) 2,70 1,74 4,51 8,96 7,87 temperatura di fusione ( C) conducibilità termica (W/mK) coeff. di espansione termica (10-6 K -1 ) 23,5 26,0 6,9 17,0 12,1 modulo elastico (GPa) carico di rottura (MPa)

17 Classificazione delle leghe di allumino Leghe di alluminio leghe per getti leghe da deformazione plastica as cast trattamento termico trattamento termico incrudimento

18 Confronto curve sollecitazione/deformazione di diversi materiali metallici

19 Come cambiano le scelte quando serve la leggerezza? Volume per unità di peso

20 Indurimento per precipitazione Schema del ciclo termico (trattamento termico di Tempra in soluzione + invecchiamento artificiale) solubilizzazione ad alta temperatura (soluzione solida omogenea) tempra in acqua fino a temperatura ambiente (sol. solida sovrassatura) decomposizione controllata della soluzione solida per formare precipitati submicroscopici finemente dispersi invecchiamento naturale (a temperatura ambiente) sigla T4 invecchiamento artificiale ( > temperatura ambiente) sigla T6

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