TRATTAMENTI TERMOCHIMICI DI DIFFUSIONE (o di indurimento superficiale)

Transcript

1 TRATTAMENTI TERMOCHIMICI DI DIFFUSIONE (o di indurimento superficiale) Scopo di questi trattamenti è di modificare la composizione chimica degli strati superficiali di pezzi meccanici ( e quindi anche le proprietà meccaniche e tecnologiche di tali strati ) facendo assorbire loro, portandoli ad adatte temperature, elementi chimici con cui hanno affinità: carbonio, azoto, zolfo. Es: Una ruota dentata si può costruire in acciaio dolce, tenace in tutta la massa per resistere agli urti e sforzi; per poi indurirla superficialmente per dar modo ai denti, soggetti a logorio, di resistere all usura. I trattamenti termochimici di indurimento superficiale più diffusi sono quello di carbocementazione e di nitrurazione. CARBOCEMENTAZIONE (UNI 5381) La carbocementazione, o semplicemente cementazione, é un trattamento mediante il quale viene carburato in superficie un acciaio a basso contenuto di carbonio (C 0.20%). Il trattamento prevede il riscaldamento del pezzo ad una temperatura superiore ad Ac 3 in presenza di un cemento che possa cedere il carbonio determinando la formazione superficiale di cementite ed il corrispondente indurimento. I mezzi utilizzati possono essere: cementi solidi, liquidi, gassosi. Velocità di penetrazione: Solido: (mm/h) Liquido: (mm/h) Gas: 1 (mm) in tre ore Le norme relative alla cementazione sono contenute nella tabella UNI Consideriamo il caso, più diffuso, della cementazione solida, la quale prevede che i pezzi siano messi dentro cassette (d acciaio dolce, o di ghisa o d acciaio inox) e ricoperti con una miscela, detta Caron (dal nome di colui che la sperimentò nei primi anni del 900), costituita per l 85 % da carbone di legna e per il 15 % da carbonato di bario. Il ciclo termico consiste in: 1) Riscaldamento lento in forno ad una temperatura di circa C (tale da originare il Fe γ, che é capace di sciogliere il carbonio), non oltre per evitare un pericoloso ingrossamento della grana cristallina. 2) Permanenza in forno per un certo tempo (dalle 4 alle 10 ore, a seconda della penetrazionespessore carbocementato che si vuole ottenere). Si ha: a) il carbone di legna, a contatto con l aria presente nella casetta, forma ossido di carbonio CO e anidride carbonica CO 2 b) sulla superficie del pezzo avviene la reazione 2 CO = CO 2 + C Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano 1

2 c) l'atomo di carbonio viene assorbito dal pezzo, mentre l anidride carbonica CO 2 reagisce con il carbone di legna formando altro ossido CO d) il processo continua finché la struttura austenitica é in grado di assorbire carbonio 3) Raffreddamento del pezzo in un mezzo qualsiasi. In seguito alla cementazione, l acciaio acquisisce una quantità di carbonio paragonabile a quella di un acciaio eutettoide. Si ottiene una grande resistenza all usura ed il mantenimento della resilienza all interno del pezzo. Lo spessore di carbocementazione varia a seconda delle dimensioni dei pezzi e delle sollecitazioni cui essi saranno sottoposti. In generale va da 0.2 a 2 mm. In tale spessore si distinguono tre zone: 1) zona esterna di profondità di almeno 0,5 mm in cui il carbonio ha percentuale di circa 0,8 1 % 2) zona di transizione in cui il carbonio varia da valore ottenuto esternamente fino a quello che aveva originariamente 3) zona interna in cui il carbonio ha l originaria percentuale. Il diagramma a fianco mostra la variazione della durezza in funzione della profondità in un acciaio al carbonio cementato e temprato. Inoltre nel punto Sc si ha lo spessore efficace, parametro molto utile che è un valore intermedio tra lo spessore carbocementato minimo e lo spessore carbocementato totale. Lo spessore efficace si può definire come la distanza che va dalla superficie esterna del pezzo a quella più interna dove la durezza é HRC = 50 (corrispondente al 50 % di perlite e al 50 % di ferrite). Durezza ottenibile: HRC dopo tempra. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano 2

3 TRATTAMENTO TERMICO DOPO LA CARBOCEMENTAZIONE SOLIDA Dopo la cementazione l acciaio acquisisce in pratica una quantità di carbonio pari a quella di un acciaio eutettoide e, quindi, non una durezza elevata. Poiché, inoltre, il riscaldamento avviene lentamente, i pezzi presentano, dopo la carbocementazione, una struttura cristallina a grano ingrossato. Per questo, dopo la cementazione, occorre eseguire una doppia tempra ed un rinvenimento. In particolare: 1) tempra di affinazione da 900 C per ottenere un grano più fine 2) tempra di durezza da circa 780 C per temprare la superficie mentre il cuore rimane inalterato Dopo la tempra si effettua un rinvenimento di distensione a circa C per attenuare le tensioni senza togliere la durezza conseguita. Infine si esegue una rettifica per portare il pezzo (es.: ruota dentata), che in seguito ai ripetuti trattamenti ha subito deformazioni, alle dimensioni stabilite. Per rettificare si deve lasciare un sovrametallo di 0,2 0,3 mm. Di seguito é rappresentato il complesso dei cicli termici: Classi di cementazione e valori dello spessore efficace a seconda del modulo delle ruote dentate Simbolo classe Misura durezza Spessore efficace (mm) Modulo ruota dentata Cm1 HV 10 da 0,05 a 0,15 Cm2 HR 15-N da 0,55 a 0,25 Cm3 HR 15-N da 0,25 a 0,4 1-2 Cm5 HRC da 0,4 a 0,6 2-3,25 Cm7 HRC da 0,6 a 0,8 3,25-5 Cm9 HRC da 0,8 a 1,1 5-7 Cm13 HRC da 1,1 a 0, Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano 3

4 Acciai da carbocementazione Sono quelli a bassa percentuale di carbonio, non legati o debolmente legati. Il basso tenore di carbonio garantisce una buona resilienza nel cuore dei pezzi, che non si temprano al loro interno. Es.: C 10 Rm = N/mm 2, A = 12 %, KCU = 35 J C 15 Rm = N/mm 2, A = 9 %, KCU = 22,5 J 20 Cr Ni 4 Rm = N/mm 2, A = 7,5 %, KCU = 25 J 18 Ni Cr Mo 5 Rm = N/mm 2, A = 8 %, KCU = 30 J NITRURAZIONE ( UNI ) Il trattamento consiste nell investire un pezzo, riscaldato ad una temperatura di C, con una corrente di ammoniaca gassosa, che si diffonde lentamente negli strati superficiali indurendoli. Le norme di unificazione relative al trattamento sono insite nella tabella UNI Questo trattamento può essere eseguito su qualsiasi tipo di acciaio e in particolare negli acciai legati con l alluminio, perché quest ultimo facilita l assorbimento dell azoto. Il ciclo termico consiste in: 1) Riscaldamento in forno elettrico (atmosfera controllata) a circa C; 2) I pezzi vengono sottoposti ad una lenta corrente di ammoniaca gassosa (NH 3 ); 3) Raffreddamento in un mezzo qualsiasi. La velocità di penetrazione è di 0.1 mm in 10 ore. Quindi la durata del processo, che dipende dallo spessore che si vuole ottenere, é di ore. La durezza ottenibile con la nitrurazione è di 72 HRC, il pezzo risulta molto resistente all'usura e alla. Durante l esposizione del pezzo all ammoniaca gassosa, l assorbimento superficiale di questo elemento provoca la formazione di azoturi o nitruri di ferro (ma anche di cromo e di alluminio) che provocano una distorsione del reticolo cristallino e quindi impartiscono grande durezza. Altra caratteristica fondamentale di questo trattamento e che il riscaldamento a una temperatura di C, non modifica la struttura originale e non provoca ingrossamento della grana cristallina. Quindi durante la nitrurazione i pezzi non subiscono né distorsioni né particolari variazioni dimensionali; pertanto dopo la nitrurazione non bisogna effettuare alcuna operazione di rettifica. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano 4

5 Non dovendo effettuare l'operazione di rettifica, lo spessore dello strato nitrurato é molto piccolo, in generale da 0,05 a 0,55 mm. Il diagramma a fianco mette a confronto la variazione di durezza, in funzione della profondità, di un acciaio cementato e di un acciaio nitrurato. Anche qui per la nitrurazione abbiamo nel punto Sn lo spessore efficace, parametro molto utile che è un valore intermedio tra lo spessore nitrurato minimo e lo spessore nitrurato totale. Questo corrisponde a una durezza di 50 HRC e una profondità di 0.4 mm. Classificazione degli spessori nitrurati Simbolo classe Spessore nitrurato (mm) Prova di durezza N 11 0,05 0,15 N 12 0,15 0,25 HV 5/15 N 13 0,25 0,35 HV 10/15 N 14 0,35 0,45 HV 10/15 N 15 0,45 0,55 HV 10/15 Per pezzi resistenti all usura Per pezzi resistenti all usura Mentre la cementazione deve essere effettuata su acciai extradolci per evitare che il nucleo per effetto della successiva tempra diventi duro e fragile, la nitrurazione (che non richiede tempra), può essere eseguita su un acciaio più ricco di carbonio e quindi avente originariamente caratteristiche meccaniche più elevate o su acciai già bonificati. Acciai da nitrurazione Gli acciai da nitrurazione hanno una percentuale di carbonio che va da 0,30 a 0,42 % e contengono sempre molibdeno e cromo, spesso anche alluminio, che favorisce la penetrazione dell'azoto. Es.: 42 Cr Al Mo 7 avente Rm = N/mm 2, A = 14 %, HV = 900 (dopo nitrurazione) Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano 5