Materiale utile per l'esame di Metallurgia

Il processo di cementazione

Il processo di cementazione prevede le seguenti fasi: riscaldamento in campo austenitico con T > A (850° Cc3÷ 950° C) in ambiente ricco di CO a causa di carbone e carbonati di bario o calcio (cementazione solida, 900°C ÷ 950° C per 2 ÷ 10 h) ovvero di CO derivante dalla combustione di metano o propano (cementazionegassosa, 900° C per 3 ÷ 4 h) ovvero di CO derivante da sali fusi a base di cianuro di sodio (NaCN) e potassio(KCN) (cementazione liquida, 870° C ÷ 950° C per 5 min ÷ 1 h). La permanenza ad alta temperatura dipendedal tenore di carbonio dell’acciaio e quindi dal gradiente di concentrazione di carbonio con l’ambientecementante, dal processo di cementazione adottato e dalla profondità di cementazione richiesta (sp. = 0.30mm ÷ 2.50 mm). Supponendo di adottare la cementazione gassosa (la più utilizzata) la permanenza è di 3 ÷4 ore. Al termine della cementazione

Si procede con il raffreddamento lento fino a T ambiente e al successivo riscaldo tra A e A o oltre A seguito dalla tempra indiretta in olio (raffreddamento repentino, solo per la cementazione gassosa o liquida è possibile adottare tempra diretta; per la solida tempra indiretta) per ottenere struttura martensitica a grano fine con durezza proporzionale alla % C (0.18 % a cuore, 0.80 % in superficie circa). Al termine della tempra si procede con un rinvenimento di distensione a T = 150°C ÷ 200°C per 2 h per ridurre le tensioni prodotte dal brusco raffreddamento e dalla formazione di martensite. Per concludere il processo si pulisce il componente con sabbiatura o pallinatura. La durezza superficiale raggiunge circa 57 ÷ 62 HRC comportando ottima resistenza a fatica ( = 0.3 ÷ 0.5 - ) e ad usura soprattutto grazie alla tenacità del cuore del metallo che evita rotture e cricche interne al materiale.

NOTA, vedere leghe alternative e processi

attuabili inerenti (carbo-nitrurazione, nitrurazione (C = 0.3 ÷ 0.4%), nitro-carburazione).

3. I parametri di influenza sulla cementazione sono legati alla diffusione solida del carbonio nello stratosuperficiale dell'acciaio. Per la cementazione si richiede un acciaio a basso tenore di carbonio (C < 0.20 %) inquanto è necessario un notevole gradiente di concentrazione con l'ambiente cementante affinché il C penetri nel componente. Inoltre, è richiesta una alta temperatura poiché si incrementa con essa la diffusività. Tali concetti sono espressi dalla prima legge di Fick in regime stazionario (saturazione superficiale, cementazione attiva) e dalla seconda legge di Fick in regime non stazionario (diffusione sotto superficie, cementazione diffusiva) che rispettivamente affermano:

stq = -r ∙ scwut u t=r∙ wuv uc l(r = r ∙ P con D diffusività, D diffusività del C nel Fe-γ, Q energia di attivazione per la

In profondità, una U molto pronunciata implica ridotta temprabilità, risposta alla tempra disomogenea e elevata durezza in superficie ma ridotta in profondità. La U è tanto meno accentuata quanto più il pezzo è di piccole dimensioni, ricco in elementi di lega (C, Mo, Mn, Cr, Bo) che spostano le curve di Bain a destra e riducono la velocità critica di tempra.

Con l'acciaio dato e il processo termochimico di cementazione, il rinvenimento è necessario effettuarlo a bassa temperatura con T = 150°C ÷ 200°C. Il rinvenimento a bassa temperatura è detto di distensione ed ha la funzione di ridurre le tensioni residue dovute al brusco raffreddamento imposto dalla tempra e alla deformazione del reticolo martensitico. Il rinvenimento di distensione non intacca in modo significativo le proprietà meccaniche ma riduce lo stato tensionale, migliora la tenacità e la resistenza a fatica.

Alla temperatura indicata si hanno trasformazioni microstrutturali da martensite α a martensite α'' + carburo ε(Fe C) e un rilassamento della struttura TCC.

NOTA, vedere leghe alternative e processi attuabili inerenti (rinvenimento di II (bainite inferiore), III (troostite= ferrite alfa sottile + cementite fine), IV ((bonifica), sorbite = accrescimento della cementite) livello).

Il trattamento termico applicato è la tempra, passaggio successivo alla cementazione, che genera martensite.

La durezza massima ottenibile è 57 ÷ 62 HRC. Lo spessore massimo di indurimento è 2.50 mm (0.30 mm ÷ 2.50 mm). Lo spessore efficacie di indurimento per la cementazione è lo spessore dell'acciaio a partire dalla superficie fino al raggiungimento della durezza di 550 HV (microdurezza limite per lo spessore efficacie di indurimento). Il trattamento è applicato ad assi, ruote dentate, alberi a camme, bilancieri.

Parti di cuscinetti, forchette cambio.

Esempio domanda aperta 22 - Proprietà meccaniche e relative prove. La prova di trazione. Pagina 72 (grafico)

3 - Proprietà meccaniche e relative prove. Resilienza, durezza e microdurezza. Pagina 66 (~1. La resilienza —@ = - ℎ) ∙ con peso del pendolo con cui si effettua la prova di resilienza e V intaglio del provino, è una grandezza espressa in qgf?

P che determina l'energia assorbita da un provino in fase di rottura per impatto, urto. Tale energia equivale alla differenza di energia potenziale del pendolo nella posizione iniziale e finale (dopo l'urto) della prova. La temperatura di transizione duttile – fragile è la temperatura alla quale il materiale in esame presenta 50% di rottura fragile e 50% duttile ovvero è la temperatura media rispetto alle temperature alle quali si ha comportamento completamente fragile e duttile ovvero è la temperatura alla quale il provino assorbe

nell'urto almeno 27 J.

(grafico) Sulla resilienza influiscono la microstruttura, la composizione chimica, la struttura cristallina, la temperatura e le condizioni di processo e utilizzo (irraggiamento neutronico, infragilimento da idrogeno), la direzione di prelievo del campione di materiale, il tipo di intaglio. Sulla temperatura di transizione duttile – fragile influiscono negativamente (la temperatura di transizione aumenta) l'adsorbimento di idrogeno, particelle di zolfo e fosforo, radiazioni nucleari, percentuali crescenti di carbonio; influiscono positivamente (la temperatura di transizione diminuisce) particelle di nichel (oltre il 13% non vi è più transizione) e manganese.

(grafico)

4 - Proprietà meccaniche e relative prove. Fatica, creep, tribologia.

Pagina 79

(grafico) Il limite di fatica è pari alla tensione al di sotto della quale non si verifica rottura a fatica del componente neppure ad elevatissimo numero di cicli di sollecitazione.

Il coefficiente di usura di adesione (di Archard) per la forza normale diviso la durezza del materiale più morbido (che si usura). Il tasso di usura è perciò correlato alla durezza superficiale degli elementi a contatto, al carico normale applicato, alla tipologia di materiale, alla lubrificazione.

La prova di creep o scorrimento viscoso è realizzata sottoponendo un provino a trazione con tensione costante a temperatura costante seppur maggiore di 0.3 ÷ 0.5 V del materiale in esame. Le grandezze valutate sono la deformazione assiale in relazione al tempo di applicazione del carico. Si nota che nella fase di creep primario la deformazione è ridotta, diviene costante nella fase di creep secondario e si incrementano notevolmente nella fase di creep terziario fino a rottura. Per aumentare la resistenza a creep è necessario selezionare metalli ad alta temperatura di fusione, con grani grossi e struttura monocristallina o cristallizzata in modo direzionale.

Per legare i bordi di grano e evitare lo scorrimento ai bordi, è possibile utilizzare carburi, dispersoidi e precipitati. Questi materiali possono essere inseriti strategicamente lungo i bordi di grano per aumentare la resistenza e la stabilità del materiale.