TRATTAMENTI TERMOCHIMICI

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Violetta Grassi
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1 TRATTAMENTI TERMOCHIMICI Cementazione Nitrurazione Carbonitrurazione Cosa sono e a cosa servono Sono trattamenti che agiscono contemporaneamente su variazioni termiche e su variazioni di composizione chimica dello strato superficiale. La modifica della composizione chimica avviene grazie alla diffusione di carbonio o azoto nella zona superficiale. Hanno come scopi principali: l indurimento superficiale per ridurre l usura; l aumento della resistenza ad elevate pressioni superficiali; l aumento della resistenza a fatica; l aumento della resistenza all azione degli agenti corrosivi. 2 1

2 Fattori che favoriscono la diffusione atomica temperatura: fornisce agli atomi l energia necessaria; tempo: permette ai fenomeni di diffusione di progredire fino alla profondità voluta; concentrazione dell elemento da diffondere: la concentrazione avviene dalle zone più ricche a quelle più povere dell elemento. struttura cristallina: un acciaio con struttura austenitica favorisce l assorbimento di atomi; grano cristallino: grano cristallino grosso ostacola la diffusione; elementi di alligazione: rallentano la diffusione. 3 Cementazione (o carbocementazione) Consiste nella diffusione di carbonio per uno strato di 1 o 2 mm di spessore massimo. Il trattamento viene eseguito su acciai con basso tenore di carbonio, sia legati che non legati: C10 C15 16 Mn Cr 5 21 Ni Cr Mo 2 Il trattamento consiste in: riscaldamento e mantenimento fino a temperatura superiore ad Ac 3 ; carburazione; tempra; rinvenimento. 4 2

3 Tempra diretta 5 Tempra singola Tempra singola dopo trasformazione isotermica in bagno di sali Tempra singola dopo cementazione 6 3

4 Doppia tempra Dopo la cementazione 7 Doppia tempra Con seconda tempra dopo tempra diretta 8 4

5 Tempi di trattamento 9 Corrispondenza tra durezza e profondità di cementazione 10 5

6 Spessore efficace e spessore totale cementato Spessore totale cementato: spessore oltre il quale non è avvenuta alcuna diffusione di carbonio. Spessore efficace: spessore utile indurito al quale corrisponde una il valore convenzionale di 550 HV Classi di cementazione (UNI 5381) In funzione dello spessore efficace di cementazione vengono definite 10 classi di cementazione contrassegnate da Cmt 2 fino a Cmt

7 Cementazione in cassetta Il trattamento si esegue all interno di contenitori riempiti di carbone di legna in polvere granulare e sigillati ermeticamente in modo tale da prevenire la fuoriuscita del gas cementante. Durante il trattamento in forno alla temperatura di 900 C il carbonio reagisce con l ossigeno producendo CO e CO 2. Il carbonio si diffonde nell austenite legandosi con il ferro a formare Fe 3 C. La velocità di penetrazione varia in media tra 0,1 e 0,2 mm per ogni ora di permanenza. Difetti: difficoltà di riscaldare il volume della cassetta (procedimento adatto per produzioni limitate di grossi pezzi). riscaldamento non uniforme che non consente di regolare il processo. 13 Cementazione in cassetta 14 7

8 Cementazione in bagno di sali fusi I pezzi vengono preriscaldati a C all interno di miscele di sali liquidi (cianuro di sodio o di potassio) e cloruri. Consente un riscaldamento uniforme dei pezzi da trattare. La presenza dei sali previene il contatto con l aria che causerebbe ossidazione del materiale. Difetto: i bagni salini sono velenosi. 15 Cementazione gassosa Avviene in forni con atmosfere controllare a base di miscele di metano, monossido di carbonio e idrocarburi. I gas accelerano il processo di diffusione del carbonio. Si possono ottenere prodotti di qualità elevata grazie alla possibilità di controllo accurato del processo che può essere automatizzato. Il principale difetto è l elevato costo dell impianto che lo rende appetibile solo per grandi serie di produzione. 16 8

9 Rettifica finale Quando è richiesta una finitura superficiale accurata si esegue l asportazione di uno strato di 0,2 0,3 mm di sovrametallo. Lo spessore di trattamento deve tener conto di questo sovrametallo. 17 Nitrurazione Si basa sulla diffusione di azoto nella zona superficiale del pezzo. L azoto forma nitruri che fanno acquistare al pezzo notevole durezza. Viene eseguita su acciai basso legati contenenti Cr e Al, bonificati con tenore di carbonio compreso tra 0,30 e 0,42%. Non si utilizzano acciai al carbonio a causa dell eccessivo infragilimento. Con la nitrurazione si forma un sottile strato di 0,1 0,3 mm. 18 9

10 Esecuzione del trattamento Il trattamento avviene ad una temperatura di C in atmosfera ricca di ammoniaca NH 3. Alla temperatura di trattamento l ammoniaca si dissocia 2 NH 3 2N+3 H 2. La temperatura al di sotto di Ac 1 permette di mantenere la struttura dell acciaio bonificato. 19 Micrografie dell acciaio nitrurato Zona dei composti (coltre bianca): costituita da Fe 2 N e dai nitruri degli elementi di alligazione, molto dura ma estremamente fragile. Zona di diffusione (I): costituita da Fe 4 N e da altri nitruri complessi, meno fragile della coltre bianca. Nucleo (II): zona in cui non è avvenuta la diffuzione di azoto 20 10

11 Fasi del processo di nitrurazione Penetrazione Diffusione Combinazione Il processo richiede tempi di 20 ore ogni 0,2 mm di profondità di diffusione 21 Spessore efficace di nitrurazione Profondità oltre la quale la durezza differisce da quella del cuore per meno di 50 HV. GH= HV cuore +50 Nht= spessore efficace 22 11

12 Classi di nitrurazione Spessore totale nitrurato (mm) Simbolo della classe Prova di durezza Vickers 0,05 0,15 NS 1 (*) 0,15 0,25 NS 2 HV 1/15 0,25 0,40 NS 3 HV 1/15 (*)= carico di prova da concordare 23 Confronto tra spessore nitrurato e spessore cementato Nitrurato Cementato 24 12

13 Durezza ad alta temperatura 25 Svantaggi della nitrurazione Lo strato indurito è molto più sottile rispetto alla cementazione ed ha un minore ancoraggio sul materiale sottostante. La durata del trattamento è maggiore e i costi sono più elevati. Gli acciai da nitrurazione sono più costosi perché legati. Il trattamento deve avvenire in forni ad atmosfera controllata. L utilizzo di ammoniaca o bagni di fusi contenenti cianuro di sodio o cianato di potassio estremamente velenosi richiede particolari accortezze in tema di protezione ambientale

14 Iononitrurazione (nitrurazione al plasma) 1. Forno sottovuoto 2. Pezzo da nitrurare 3. Generatore elettrico 4. Unità di controllo 5. Recipienti dei gas H 2, N 2, CH 4 6. Pompa a vuoto Tra gli elettrodi scocca l arco elettrico che ionizza i gas trasformandoli in plasma. Gli ioni di azoto N +++ vengono attratti dal polo (pezzo da trattare) e si legano al ferro. L urto sprigiona calore che contribuisce a mantenere la temperatura di trattamento. La diffusione avviene in modo più rapido rispetto alla nitrurazione tradizionale. 27 Nitrurazione morbida (processo Tenifer) Il pezzo da trattare viene riscaldato ad una temperatura di C e immerso in un bagno di sali fusi. Sul bagno di sali viene soffiata aria che genera movimento nel bagno di sali accelerando l assorbimento di azoto. Al trattamento segue un brusco raffreddamento in acqua. Il processo dura da 1 a 3 ore con spessori nitrurati di 0,20 0,30 mm. Il trattamento può essere eseguito su acciai bonificati anche non legati consentendo un considerevole risparmio. Svantaggio: il brusco raffreddamento porta alla formazione di composti metastabili che possono dar luogo a precipitazione in pezzi riscaldati durante l impiego con conseguente infragilimento

15 Carbonitrurazione Consiste nella contemporanea diffusione di carbonio e azoto a livello atomico. Il processo avviene o in forni ad atmosfera controllata o in bagni di sali fusi (cianurazione). La presenza di azoto estende il campo di esistenza dell austenite abbassando il punto Ac 3. Consente di ottenere carbonitruri a temperature di trattamento più basse rispetto a quelle di cementazione. Il trattamento si esegue su acciai a basso tenore di carbonio. 29 Procedimento di carbonitrurazione Riscaldamento a temperature di C. Permanenza per un tempo variabile dalle 5 alle 15 ore (in funzione dello spessore desiderato) in presenza di miscele di gas CO-NH 3. Raffreddamento veloce in olio. Si possono ottenere spessori nitrurati variabili tra 0,2 e 0,4 mm. Le basse temperature di trattamento consentono di ridurre le distorsioni conseguenti alla tempra rispetto alla carbocementazione. Rispetto alla nitrurazione è migliore l ancoraggio dello strato nitrurato sul materiale sottostante

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