Tesina sulla Carbocementazione

Trattamenti termochimici di diffusione

Carbocementazione

Esperienza laboratorio tecnologico

Concetti teorici

Introduzione

Il trattamento di carbocementazione consiste nel riscaldare e mantenere per un tempo sufficiente

un acciaio a temperatura prossima ad *Ac in un mezzo polverulento, pastoso, liquido o gassoso

3

dal quale possa assorbire prevalentemente carbonio.

Questo trattamento verrà poi seguito da un altro di tempra con diverse velocità di raffreddamento in

base alle proprie esigenze. l’arricchimento superficiale

Lo scopo di questo trattamento termico è di carbonio affinché

l’acciaio possa resistere a determinate condizioni, si viene quindi a ottenere un aumento della

resistenza ad usura e a fatica. l’acciaio verrà

In questa esperienza verrà usato il metodo in cassetta, posto in un recipiente contente

carbone allo stato solido e chiuso ermeticamente per evitare l’ossidazione durante il trattamento.

da favorire l’austenizzazione

Il tutto verrà portato ad una temperatura abbastanza elevata tale con

relativa permanenza a tale temperatura.

Materiali

Per questo trattamento devono essere sottoposti acciai a basso contenuto di carbonio o con elementi

di alligazione.

Gli acciai da carbocementazione devono possedere una determinata composizione chimica e

caratteristica strutturale per permettere l’assorbimento e la penetrazione del carbonio.

Particolare attenzione è da tenere nella fase dell’austenizzazione a lunga durata che comporta un

dell’acciaio con una tendenza nel formare austenite residua, la

ingrossamento del grano austenitico

quale comporta una maggior probabilità nel provocare inneschi di rottura.

La percentuale di carbonio dev’esser inferiore allo 0,25%, in modo da non provocare

- un’elevata durezza del nucleo.

- Gli elementi di alligazione degli acciai sono il Cromo, il Molibdeno e il Nichel.

Il Cromo e il Molibdeno formano i rispettivi carburi mentre il Nichel non forma carburi ma

passa direttamente il soluzione solida nella ferrite conferendo alla ferrite stessa una

*

maggiore tenacità e durezza.

Temperatura

Deve essere superiore al punto critico Ac di trasformazione allotropica del ferro.

3

Questo perché soltanto nello stato γ esiste una sufficiente solubilità del carbonio nel ferro. Gli strati

superficiali dell’acciaio assorbono il carbonio, il quale passa in soluzione solida nell’austenite e si

diffonde lentamente verso l’interno.

Le temperature variano da 880 a 930°C.

Con temperature superiori si rischia un ingrossamento troppo elevato del grano viceversa con

temperature inferiori la solubilità del carbonio nel ferro diminuisce perciò comporta un

allungamento del trattamento e quindi un aumento dei costi.

*Ac3 = Temperatura evidenziata in rosso nel diagramma Fe C (723° - 910°)

3

ha un’azione molto importante nell’acciaio, i pezzi cementati devono possedere una buona tenacità tale da

*La tenacità

non provocare cedimenti in fase di lavorazione o di montaggio, questo caratteristica è quindi utile per sopportare

fenomeni di urto o di fatica dovute a sollecitazioni varie (torsione e/o flessione). Pag. 3 di 29

Ambiente sarà sottoposto l’acciaio nel quale avviene

Il mezzo nel quale la carbocementazione prende il nome

di cemento e dev’essere in grado di fornire il carbonio già allo stato nascente.

La carburazione dell’acciaio avviene secondo la reazione:

( ) ( )



(Carbonio + ferro γ carburo di ferro)

Con la formazione di tale soluzione è possibile aver una concentrazione massima di carbonio

compresa tra lo 0,7 e 1% nel primo decimo di millimetro dello strato carbocementato partendo dal

bordo.

Nel nostro caso di carbocementazione in cassetta, viene usato una materiale comunemente detto

cemento polverulento o pastoso.

Diffusione del carbonio

La profondità alla quale penetra il carbonio varia in funzione del tempo ed è data secondo la

relazione: √

“p” è lo spessore totale di carbocementazione espresso in millimetri [mm]

“p ” è la costante di carbocementazione che dipende da tutti i parametri che influenzano il

0

trattamento (il suo valore lo si ottiene ponendo t = 1 esprimendo quindi il valore dello spessore

totale di carbocementazione in base alla temperatura in ore)

“t” è il tempo di carbocementazione alla temperatura di regime in ore [h]

Concentrazione del carbonio

La percentuale di carbonio diminuisce in funzione della distanza dalla superficie esterna a causa del

fenomeno della diffusione citato in precedenza.

I parametri che influenzano la concentrazione del carbonio sono il tempo, la temperatura, qualità del

cemento e metodo di carbocementazione usato. Pag. 4 di 29

Diagramma Fe C (Ferro- Carbonio)

3

Scopo dell’esperienza

Determinazione dello spessore efficace di carbocementazione di un acciaio comune S235 e di un

acciaio da cementazione 18CrNiMo7

Descrizione acciai

S235 (o anche comunemente detto Fe430 UNI10025):

È un acciaio a basso contenuto di carbonio avente struttura ferrite /perlite.

Prima di essere trattato, allo stato ricotto, l’S235 ha una resistenza meccanica pari a : Rm circa 420

2

N/mm avente le rispettive percentuali di ferrite e perlite: 75% di ferrite e 25 % di perlite.

Dopo il trattamento e dopo essere stato portato tutto in una struttura austenitica (cella cubica facce

centrate ), avverrà la penetrazione del carbonio e successivamente verrà compiuto un trattamento di

tempra in differenti mezzi di raffreddamento come in acqua salata, olio e aria.

d’acciaio all’esterno si troverà

Nei provini che sono stati raffreddati velocemente, tutta una struttura

di tempra martensitica mentre al centro ferrite (e forse poca martensite).

La differenza della struttura interna rispetto al provino raffreddato in aria calma sarà dovuta dalla

diversa velocità di raffreddamento.

Negli acciai che non sottoponiamo al trattamento si eseguono delle prove di durezza per aver un

riferimento finale ai provini trattati.

e al carico di rottura si ricaverà l’acciaio

In funzione della durezza ammettendo che sia composto da

solo carbonio.

18CrNiMo7:

È un acciaio da cementazione a basso contenuto di carbonio avente elementi di lega che gli

conferiscono una trattamento di tempra successivo.

Gli elementi di alligazione presenti in questo acciaio sono il Cromo (Cr), il Nichel (Ni) e il

Molibdeno (Mo). Prima di sottoporlo al trattamento è presente una percentuale di Carbonio (C):

0,18% e una percentuale di Cromo (Cr): 1,75 %.

Dopo il trattamento, nello strato esterno, teoricamente ci troveremo con un percentuale di carbonio

di circa 0,9 % più altre percentuali degli elementi di lega.

Il Cromo si presenta sottoforma di interstiziale.

Il Nichel, non formando carburi, passa completamente in soluzione solida nella ferrite conferendo

ad essa una maggiore durezza e tenacità.

In superficie si hanno quindi le migliori condizioni per successiva tempra grazie al carbonio e

Cromo. Pag. 5 di 29

Descrizione esperienza con relative fasi

–

Fase 1 Preparazione dei provini

Da due profilati d’acciaio circolare (S235 e 18CrNiMo7) si ricavano

quattro provini ciascuno.

Ogni provino verrà indicato differentemente in base al tipo di

raffreddamento che dovrà subire, in modo tale da aver la possibilità di

poterlo conoscere successivamente al trattamento.

Indicazione provini:

La lettera “A”

- sta ad indicare il provino che non verrà trattato

La lettera “O” sta ad indicare il provino

- trattato che verrà

raffreddato in olio

- Il segno laterale di mola sta ad indicare il provino trattato che

nell’acqua salata.

verrà fatto raffreddare

- Il provino che non presenta segni sarà il provino trattato che Fig. 1.1_ Cassetta con

verrà lasciato raffreddare in aria calma provini internamente

- Provini smussati : 18CrNiMo7 ricoperti di carbone

- Provini non smussati : Fe430

I provini verranno quindi introdotti in un recipiente (cassetta) che, riempito di carbone, verrà

sigillato ermeticamente il tutto con apposita pasta (impasto) in modo da non creare ossidazione

durante il trattamento.

–

Fase 2 Trattamento di carbocementazione in cassetta e forno

La cassetta, contente tutti i provini, la si porrà in forno a temperatura tale da favorire

l’austenizzazione dell’acciaio, la temperatura sarà di : 916 °C per una permanenza di 13 h.

Supponendo che ad ogni ora la penetrazione del carbonio sia teoricamente di un decimo di

millimetro (0,1 mm), con tale permanenza di temperatura e tempo, il carbonio penetrerà di 1,3 mm.

Fig. 2.1_ Cassetta chiusa ermeticamente con Fig. 2.2_ Forno a temperatura 916°,

apposito impasto per evitare l’ossidazione dei permanenza provini 13 h

provini durante il trattamento Pag. 6 di 29

–

Fase 3 Tempra nei vari mezzi di raffreddamento

La tempra che verrà eseguita nei differenti mezzi di raffreddamento, avrà lo scopo di aver velocità

di raffreddamento diverse comportando una diversità di struttura interna e di durezza, la quale verrà

poi analizzata.

Fig. 3.1 _ Contenitore per raffreddamento Fig. 3.2_ Contenitore per raffreddamento

in olio in un bagno di acqua salata

Fig. 3.3_ Raffreddamento in aria calma

–

Fase 4 Macrodurezze

La prova di durezza Vickers si esegue con il durometro. Questa prova

consiste nel far penetrare nel materiale un penetratore avente forma

piramidale a base quadrata con un carico di 30 kg, corrispondente ad una

forza F = 30x9,8= 294 N per un tempo di 15 secondi.

Il penetratore è costituito da una piramide retta a base quadrata di diamante,

con angolo al vertice fra le facce opposte di 136°

Al fine dell’operazione si andranno a misurare le diagonali dell’impronta

teorica quadrata con l’ausilio di un microscopio ottico di precisione.

Si dovranno tener conto delle eventuali correzioni da far nella misura Fig.4.1_ Durometro

quindi l’errore sistematico

effettiva sommando presente. con relativa esecuzione

dell’impronta

Con la seguente relazione e le misure delle diagonali si di durezza Vickers :

calcola la durezza Vickers: (carico 30 kg)

Pag. 7 di 29

F = carico applicato al penetratore di 30 kg

= diagonale media dell’impronta

d

Le letture e i risultati così trovati sono i corrispondenti:

–

Fase 5 Rettifica dei provini

I provini verranno sottoposti a rettifica per eliminare lo

strato indurito superficiale al fine di far evidenziare la

“corona” esterna di carbocementazione.

Le passate dovranno essere minime in quanto una passata

troppo elevata potrebbe surriscaldare il pezzo e alternarne

la struttura interna. Fig. 5.1_ Rettifica provini per eliminare

lo strato superficiale indurito

–

Fase 6 Lappatura e lucidatura dei provini

Sono le operazioni necessarie a rendere la superficie del provino in esame piana e lucida.

Per la lappatura (Fig. 6.1) verranno usate carte apposite con granulometria via via più fine in modo

tale da aver una superficie sempre più lucida (si parte con carta grana grossa 400, per poi passare

gradualmente ad una grana sempre più fine da 600, 800, 1000).

verrà eseguita con l’uso di polveri d’alluminio (AlO

La lucidatura dei provini (Fig. 6.2) miscele di )

3

μm e μm

con granulometria da 3 da 1 e acqua distillata in modo da rendere la superficie il più

,

“lucidata a specchio”.

pulita possibile, comunemente detta

Fig. 6.1 _ Lappatura Fig. 6.2 _ Lucidatura a “specchio” Pag. 8 di 29

–

Fase 7 Attacco Nital 2%

Il Nital 2% è una soluzione per metallografia, questo reagente

usato per l’analisi

è di metalli.

La fase di attacco Nital è molto delicata ed è utile per

evidenziare la “corona” esterna.

Con quest’attacco è possibile far evidenziare al meglio la

penetrazione del carbonio e renderlo in condizioni tali da poter

interna del provino d’acciaio al

analizzare la struttura

microscopio. Fig.7.1_ Velo di Nital2%

Composizione Nital 2%:

- Etanolo : concentrazione 94-96 %

- Alcool propilico : 2-4 %

- Acido nitrico concentrazione 1-3%

:

operazione è l’attacco del provino con il reagente

La prima chimico, si dovrà quindi eseguire una

precedente fase di accurata pulizia della superficie presa in esame con alcool etilico attendendo

l’evaporazione.

La seconda operazione consiste nel versare qualche goccia di Nital2% sulla superficie lasciandolo