Appunti metallurgia - classificazione acciai del secondo gruppo

ACCIAI DA CEMENTAZIONE

Sono così chiamati perché sono destinati ad essere sottoposti al trattamento termochimico di cementazione.

Questo trattamento ha la finalità di arricchire superficialmente l’acciaio con tenori locali di carbonio che arrivano fino allo 0,8% (ovvero valori eutettoidici).

Obiettivo di questo trattamento: ottenere una buona durezza superficiale, mantenendo una buona tenacità interna.

Gli ingranaggi sono un ottimo esempio di pezzi costruiti con un acciaio da cementazione; ad esempio per gli ingranaggi delle automobili, si ottengono pezzi con uno spessore di C di circa 2[mm].

Trattamento termochimico = trattamento termico con modifica della composizione chimica.

Tutti gli acciai da cementazione hanno un tenore di C inferiore al 2%.

Ci sono 3 tipi di processo di cementazione; ciò che varia nelle tre tipologie è il differente mezzo cementante che si usa: nel nostro caso ci interesseremo solo della cementazione con mezzo cementante in

fase gassosa (che è quello più usato nell'industria). Il processo prevede che il pezzo debba assorbire carbonio, e le condizioni necessarie, affinché questo assorbimento sia facilitato sono:

• basso tenore di C: l'assorbimento è facilitato in reticoli a basso tenore di C;
• elevata temperatura: la diffusione di C è favorita ad alte temperature. Questo accade perché si ha una maggior dilatazione reticolare e quindi una conseguente miglior penetrazione; è quindi necessario eseguire questa operazione quando ci si trova in fase austenitica, oltre il punto critico A3, e al fine di ottenere la massima dilatazione è opportuno spingersi fino a 900/920 °C;

IL CICLO COMPLETO DI CEMENTAZIONE CONSISTE IN QUESTE FASI:

• fase di cementazione
• fase pre-tempra
• fase di tempra
• fase di rinvenimento a bassa temperatura o distensione

DESCRIZIONE DELLE VARIE FASI:

1. CEMENTAZIONE: si inserisce il pezzo in un forno

1. CARBURIZZAZIONE: il pezzo viene immerso in una miscela di gas contenente CO e H2, creando un'atmosfera ricca di "atmosfera carburante" (ovvero già ricca di C che andrà ad arricchire la superficie); tra la superficie e il CO presente nell'aria si innesca una reazione catalitica con dissociazione che fa penetrare il C nel reticolo FCC dell'austenite e gli permette di legarsi agli atomi di Fe.

2. PRE-TEMPRA: la temperatura nel forno viene abbassata ad un valore tale per cui si interrompa l'assorbimento di carbonio, ma si mantenga una temperatura superiore a quella del punto critico A3 (circa 860 °C). Al termine di questa fase si avrà il pezzo in condizioni perfette per l'esecuzione della tempra.

3. TEMPRA: durante questa fase, l'austenite si trasforma in martensite: data l'elevata % di C in superficie, la martensite superficiale avrà un'elevata durezza, mentre a cuore, dove si ha austenite con minor % di C, mista anche a ferrite, si otterrà una martensite più povera di carbonio, e quindi più tenace.

4.

RINVENIMENTO a BASSA TEMPERATURA o DISTENSIONE: si sposta il pezzo in un forno conT più bassa per ridurre le tensioni superficiali che si sono create nella fase di tempra; senon si facesse questo passaggio, le elevate tensioni potrebbero generare rotture fragiliall’interno dello strato cementato, con distaccamenti dello strato esterno del materiale.

Al termine del procedimento si ottiene un acciaio con un cuore tenace, caratterizzato damartensite a basso C e una superficie molto dura nell’ordine dei 700-900 HV.

Solitamente nella meccanica si impiegano spessori cementati di circa 1,5/2 [mm], ma si puòarrivare fino a spessori di 4/5 [mm].

Per verificare lo spessore di cementazione si esegue una prova di microdurezza HV lungo lasezione di un provino dello stesso materiale del pezzo cementato e che ha subito lo stessoprocesso del pezzo in questione.

Per gli acciai da cementazione si possono utilizzare acciai al solo carbonio, o acciai debolmentelegati. Solitamente i

primi vengono usati solo per piccoli pezzi data la scarsa temprabilità.Quelli debolmente legati presentano solitamente questi elementi di lega: Cr, Mo, Ni, Mn.

Ciclo tecnologico di un acciaio da cementazione:

• rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità)
• lavorazione MU di sgrossatura
• cementazione a 920 °C + tempra a 860 °C
• distensione a 150 °C
• lavorazione MU di finitura

ACCIAI DA NITRURAZIONE

Così come la cementazione, anche la nitrurazione è un trattamento termochimico volto adottenere gli stessi risultati, ovvero un pezzo con superficie molto dura e un “cuore” tenace.

Ciò che cambia rispetto agli acciai da cementazione è il procedimento con cui vengono trattati.

Qual è il principio di nitrurazione degli acciai?

Il trattamento è condotto in forni, detti forni da nitrurazione; in questo caso la superficie vienearricchita di azoto, che ne causa l’incremento della durezza.

In questi forni, l'atmosfera nitrurante, a contatto con l'epidermide dell'acciaio, consente la dissociazione in atomi dell'azoto. Anche per questo trattamento, ci interesseremo solo al processo in fase gassosa. L'atmosfera nitrurante è ricca di ammoniaca (NH3) che a contatto con il metallo si dissocia, liberando molecole N che vengono poi assorbite nella superficie del metallo. La temperatura di esecuzione di questo processo (circa 500-550 °C) è molto inferiore rispetto a quella di cementazione; questo comporta tempi di processo molto più lunghi, infatti, in un reticolo meno dilatato, l'azoto ci impiegherà di più a penetrare. Un'altra differenza rispetto alla cementazione è il reticolo del ferro: in questo caso è CCC mentre nella cementazione è FCC (causa di questa differenza è la diversa temperatura). Differenza sostanziale che determina l'uso di un trattamento, piuttosto che.

L'altro è il tempo di processo. La nitrurazione infatti è un processo molto più lungo, per il motivo spiegato sopra, e permette di ottenere spessori efficaci molto minori rispetto alla cementazione. Si pensi che per produrre uno spessore utile di circa 0,4 [mm], occorrono circa 60 ore di trattamento. Per questo motivo, spingersi oltre un paio di [mm] come spessore risulta inefficace, principalmente a livello economico.

Cosa succede a livello atomico nell'acciaio?

Quando l'azoto penetra nella superficie dell'acciaio, si lega con qualsiasi elemento trovi (fatta eccezione per il carbonio); nel caso di un acciaio al solo carbonio, l'azoto si lega con gli atomi di ferro, formando dei nitruri di ferro. Questi nitruri hanno dimensioni molto piccole che vanno a inibire il moto delle dislocazioni.

La microstruttura introdotta in forno non subisce grandi variazioni, in quanto il processo avviene a una temperatura inferiore alla prima temperatura critica.

degli acciai (ovvero 727 °C); l'unico cambiamento che si mostra a livello strutturale è la presenza di una nuova fase che è appunto quella dei nitruri. I migliori risultati di nitrurazione si ottengono con gli acciai legati, infatti, tra i possibili elementi di lega, troviamo Al, V, Ti, Cr che sono molto più affini a legarsi all'azoto, rispetto al carbonio. In particolare l'alluminio che da solo non porta alcun beneficio agli acciai, in questa tipologia di acciai è molto utile perché forma nitruri molto piccoli che bloccano meglio le dislocazioni (infatti in presenza di acciai nitrurati, dove è presente alluminio, si raggiungono durezze di 1200 HV); anche cromo e vanadio formano nitruri più stabili di quelli del ferro, ma con durezza minore (circa 900 HV).

Ma perché la nitrurazione non si esegue oltre i 590 °C? In questo processo si mantengono temperature soglia di 550 °C, infatti oltre i 590 °C

c’è il rischio dientrare in campo austenitico; in tali condizioni sarebbe facilitato l’assorbimento dell’azoto, ma infase di raffreddamento verrebbe a formarsi una struttura, chiamata braunite (struttura presentenel diagramma Ferro-Azoto), che ha la caratteristica di essere molto fragile. Così facendo siotterrebbe un risultato opposto a quello del trattamento.In questa classe di acciai è bene evitare l’utilizzo di acciai al nichel; essendo infatti un elementoaustenitizzante, tende ad abbassare la linea dei 590 °C (linea eutettoidica) e ciò implicherebbe unatemperatura di trattamento ancora più bassa (anche al di sotto dei 500 °C).Il trattamento di nitrurazione a bassa temperatura implica due vantaggi:

• non viene alterata la microstruttura già esistente;
• non si degradano le caratteristiche di resistenza meccanica conferite precedentemente almateriale con il trattamento di bonifica;

L’operazione di

La nitrurazione si esegue su pezzi già finiti, infatti l'assorbimento di azoto comporta un leggero rigonfiamento della parte esterna del pezzo, che però è limitato e anche omogeneo.

Quali elementi di lega ritroviamo negli acciai da nitrurazione?

Va precisato che gli acciai da nitrurazione sono particolari acciai da bonifica dove:

• è assente il Ni, per i motivi discussi prima;
• è presente Mo, per ovviare a problemi di fragilità da rinvenimento;
• talvolta è presente anche Al, mai presente nei comuni acciai da bonifica perché non comporta alcun miglioramento delle caratteristiche;
• è sempre presente il Cr (si può dire che sia la scelta "low cost" per formare nitruri);

Gli acciai da nitrurazione sono in genere acciai sempre legati con Cr e Mo, perché sono due elementi indispensabili per ottenere un buon risultato dello strato indurito e per la sua integrità. È insolito

Che si faccia la nitrurazione su acciai al solo carbonio, in quanto si ottengono durezze moderate, pari a quelle degli acciai da cementazione, ma con costi molto più elevati.

Ciclo tecnologico di un acciaio da nitrurazione:

• rigenerazione (normalizzazione + ricottura di lavorabilità)
• lavorazione MU di sgrossatura
• bonifica (tempra + rinvenimento a 600 °C)
• lavorazione MU di finitura
• nitrurazione a 550 °C

COMPARATIVA ACCIAI DA CEMENTAZIONE E ACCIAI DA NITRURAZIONE

ACCIAI DA CEMENTAZIONE	ACCIAI DA NITRURAZIONE
DUREZZA SUPERFICIALE	circa 800 HV	dai 900 HV (Cr, V) ai 1200 HV (Al)
TEMPERATURA	920 °C	500/550 °C
SPESSORE EFFICACE	2,5 - 4 [mm]	0,5 - 0,9 [mm]
TEMPO/SPESSORE	10 ore -> 2 [mm]	100 ore -> 0,8/0,9 [mm]

In fase di cementazione il pezzo si "storta" e ciò implica un vincolo nella fase di lavorabilità, mentre con la nitrurazione, mantiene intatte le tolleranze e con la fase di lavorabilità.