Come si cementa l'acciaio? Metodi, passaggi e suggerimenti

Cosa fa effettivamente la cementazione all'acciaio

La cementazione è un processo di trattamento termico che indurisce la superficie esterna di una parte in acciaio mantenendo il nucleo interno resistente e duttile. Il risultato è un componente che resiste all'usura e alla fatica superficiale all'esterno, ma può assorbire urti e sollecitazioni senza rompersi all'interno. Questa combinazione è esattamente ciò che richiedono la forgiatura dell'acciaio e i componenti lavorati in applicazioni impegnative come ingranaggi, alberi a camme, assi e utensili da taglio.

Lo strato esterno indurito, chiamato "custodia", varia tipicamente da Da 0,1 mm a oltre 3 mm di profondità , a seconda del metodo utilizzato e del tempo di esposizione. Il nucleo rimane relativamente morbido, solitamente tra 20 e 40 HRC, mentre il case può raggiungere 58–65 HRC in processi ben controllati. Questa struttura a doppia zona non è ottenibile solo attraverso la tempra completa, rendendo la cementazione una tecnica distinta e altamente pratica nella forgiatura e nella produzione dell'acciaio.

Vale la pena capire che non tutti gli acciai rispondono allo stesso modo alla cementazione. Gli acciai a basso tenore di carbonio (0,1% – 0,3% di carbonio) sono quelli più comunemente cementati perché i loro nuclei rimangono duttili dopo il trattamento. Possono essere trattati anche gli acciai a medio tenore di carbonio, ma gli acciai ad alto tenore di carbonio vengono generalmente temprati a fondo, poiché le loro anime sono già in grado di raggiungere un'elevata durezza.

I principali metodi utilizzati per cementare l'acciaio

Esistono diversi metodi consolidati per la cementazione dell'acciaio, ciascuno adatto a materiali, requisiti di profondità della cassa e ambienti di produzione diversi. La scelta di quella giusta dipende dalla lega di acciaio di base, dalla durezza superficiale desiderata, dalle tolleranze dimensionali e dalle attrezzature disponibili.

Carburazione

La cementazione è il metodo di cementazione più utilizzato per i componenti di forgiatura dell'acciaio. Il processo prevede l’esposizione dell’acciaio a basso tenore di carbonio a un ambiente ricco di carbonio ad alte temperature, in genere Da 850°C a 950°C (da 1560°F a 1740°F) — abbastanza a lungo perché il carbonio si diffonda nella superficie. Una volta che è stato assorbito una quantità sufficiente di carbonio, la parte viene raffreddata per bloccarsi nella cassa temprata.

Esistono tre varianti comuni di cementazione:

• Carburazione a gas: Il pezzo viene posto in un forno con atmosfera di gas contenente carbonio, solitamente gas endotermico arricchito con gas naturale o propano. Questo è il metodo più controllabile e scalabile, ampiamente utilizzato nell'industria automobilistica e nella forgiatura dell'acciaio.
• Pacchetto di cementazione: La parte in acciaio viene imballata in un contenitore con materiale solido carbonioso (come carbone misto a carbonato di bario) e riscaldata per diverse ore. Si tratta di un metodo a bassa tecnologia ancora utilizzato nei piccoli laboratori o per forme irregolari.
• Carburazione liquida (bagno di sale): La parte è immersa in un bagno di sale a base di cianuro fuso. È veloce ed efficace ma utilizza sostanze chimiche pericolose, quindi il suo utilizzo è diminuito a causa di problemi ambientali e di sicurezza.

Un tipico ciclo di cementazione a gas per ottenere a Profondità cassa 1 mm su un acciaio a basso tenore di carbonio come AISI 8620 richiede circa 8–10 ore a 930°C. Dopo la cementazione, la parte viene raffreddata in olio o acqua, quindi rinvenuta a 150°C–200°C per alleviare le sollecitazioni di raffreddamento mantenendo una durezza superficiale superiore a 60 HRC.

Nitrurazione

La nitrurazione introduce azoto nella superficie dell'acciaio anziché carbonio. Funziona a temperature significativamente più basse — Da 480°C a 590°C (da 900°F a 1095°F) - il che significa che la distorsione è minima e non è necessario alcun quenching. Ciò rende la nitrurazione particolarmente adatta per componenti di precisione e parti finite dove la precisione dimensionale è fondamentale.

Il caso risultante è meno profondo della cementazione (tipicamente Da 0,1 mm a 0,6 mm ), ma i valori di durezza superficiale possono superare Equivalente a 70 HRC (1100 HV) in acciai legati contenenti elementi che formano nitruri come cromo, molibdeno, alluminio e vanadio. I gradi di nitrurazione comuni includono AISI 4140, 4340 e acciai nitrolegati.

La nitrurazione gassosa utilizza l'ammoniaca dissociata in una fornace. La nitrurazione al plasma (ionica) utilizza una scarica elettrica a bagliore per introdurre azoto e può trattare geometrie complesse in modo più uniforme. La nitrurazione in bagno di sale (nitrocarburazione ferritica) è più rapida e migliora sia la resistenza all'usura che alla corrosione.

Tempra ad induzione

La tempra ad induzione non comporta diffusione chimica. Utilizza invece l'induzione elettromagnetica per riscaldare rapidamente la superficie di una parte in acciaio al di sopra della temperatura di austenitizzazione, seguita da una tempra immediata. Il processo è estremamente veloce: può verificarsi un riscaldamento superficiale Da 1 a 10 secondi - e produce una cassa martensitica dura senza intaccare il nucleo.

Questo metodo richiede acciai a medio carbonio (0,35% –0,55% di carbonio) o acciai legati che hanno già carbonio sufficiente per formare martensite dopo la tempra. Viene comunemente utilizzato per alberi, ingranaggi, alberi a gomiti e componenti ferroviari nei settori della forgiatura dell'acciaio e automobilistico. Le profondità del caso in genere variano da da 1 mm a 6 mm a seconda della frequenza utilizzata e del tempo di riscaldamento.

Frequenze di induzione più elevate producono casi meno profondi; le frequenze più basse penetrano più in profondità. Una frequenza di 10 kHz potrebbe raggiungere una cassa di 3–5 mm, mentre una frequenza di 200 kHz può raggiungere solo 0,5–1 mm. La durezza in genere raggiunge 55–62 HRC su acciai opportunamente selezionati.

Indurimento alla fiamma

L'indurimento alla fiamma utilizza una fiamma diretta ossiacetilenica o ossipropano per riscaldare rapidamente la superficie dell'acciaio, seguita dalla tempra in acqua. È uno dei più antichi metodi di indurimento superficiale selettivo e non richiede attrezzature specializzate in forni. La tecnica funziona su acciai a medio carbonio e legati e viene spesso applicata a parti grandi o ingombranti, come pezzi forgiati di grandi dimensioni, guide di macchine e ruote dentate, che non possono essere facilmente inserite all'interno di forni o bobine di induzione.

Le profondità della cassa con indurimento alla fiamma variano ampiamente da Da 1,5 mm a 6 mm e sono ottenibili valori di durezza di 50–60 HRC. Tuttavia, il processo è meno controllabile della tempra a induzione e il raggiungimento di una profondità uniforme della cassa in forme complesse richiede operatori esperti.

Cianurazione e Carbonitrurazione

La carbonitrurazione introduce simultaneamente sia carbonio che azoto nella superficie dell'acciaio a temperature di da 700°C a 900°C . È spesso considerato un ibrido tra cementazione e nitrurazione. La presenza di azoto riduce la severità di raffreddamento richiesta, riduce la distorsione e migliora la temprabilità. Le profondità della cassa sono generalmente inferiori rispetto alla cementazione completa — da 0,07 mm a 0,75 mm - ed è ampiamente utilizzato per parti a sezione sottile, elementi di fissaggio e piccoli ingranaggi.

La cianurazione utilizza un bagno di cianuro di sodio liquido per introdurre contemporaneamente carbonio e azoto. Sebbene efficace e veloce, la natura tossica dei sali di cianuro ha reso questo metodo in gran parte obsoleto nella maggior parte dei paesi a causa delle normative ambientali.

Processoo passo passo per cementare l'acciaio a casa o in negozio

Per coloro che lavorano al di fuori di un ambiente industriale – in un fabbro, in una piccola officina meccanica o in una fucina domestica – la cementazione a pacco è il metodo più accessibile. Ecco una guida pratica del processo.

1. Seleziona l'acciaio giusto. Utilizzare un acciaio a basso tenore di carbonio come 1018, 1020 o A36. Gli acciai ad alto tenore di carbonio non traggono beneficio dalla cementazione allo stesso modo. Le billette per forgiatura dell'acciaio realizzate con qualità a basso tenore di carbonio sono materiali di partenza comuni.
2. Pulisci accuratamente la parte. Rimuovere tutto l'olio, le incrostazioni, la ruggine e la contaminazione dalla superficie. I contaminanti agiscono come barriere alla diffusione del carbonio e creano una profondità della cassa irregolare.
3. Preparare il composto cementante. Mescola carbone di legno duro (tritato in pezzi da 6–12 mm) con un energizzante a base di carbonato: il carbonato di bario al 10–20% in peso è tradizionale, anche se il carbonato di calcio (polvere di calcare) funziona come un'alternativa più sicura. Il carbonato reagisce con il monossido di carbonio nel contenitore per produrre CO₂, che ritorna a CO e mantiene l'atmosfera ricca di carbonio.
4. Imballare il contenitore. Posizionare la parte all'interno di una scatola metallica o di un contenitore sigillato (ghisa o acciaio spesso). Spalmare il composto di carbone attorno alla parte, assicurando almeno 25 mm di composto su tutti i lati. Sigillare il coperchio con cemento refrattario o argilla refrattaria per ridurre al minimo la fuoriuscita di gas.
5. Riscaldare in una fornace. Posizionare il contenitore imballato in una fornace e portarlo a temperatura 900°C–950°C (1650°F–1740°F) . Mantenere questa temperatura per il tempo di ammollo richiesto. A titolo indicativo, 1 ora a 900°C produce circa 0,25 mm di profondità della cassa; 8 ore producono circa 1 mm.
6. Disseta la parte. Togliere il pezzo dalla scatola ancora caldo e immergerlo immediatamente in olio (olio motore o olio tempra). La tempra in acqua è più rapida ma aumenta il rischio di fessurazioni. La tempra in olio è adatta per la maggior parte degli acciai a basso tenore di carbonio e produce una durezza della cassa di 58–63 HRC.
7. Tempra dopo la tempra. Riscaldare la parte a 150°C–200°C (300°F–390°F) per 1–2 ore per alleviare lo stress interno dovuto allo spegnimento. Ciò riduce la fragilità mantenendo la durezza superficiale. Saltare questo passaggio rischia di causare microcracking.

Un test sul campo comunemente utilizzato per verificare la durezza della cassa è il test della lima: una lima nuova e affilata dovrebbe scivolare via dalla superficie senza tagliare se la cassa è completamente indurita. Per una misurazione più precisa, il test di durezza Rockwell (scala HRC) o il test di microdurezza Vickers su una sezione trasversale sono approcci standard.

Confronto tra metodi di case hardening: una panoramica pratica

La tabella seguente riassume le differenze principali tra i metodi di case hardening più comuni per aiutare a selezionare il processo giusto per una determinata applicazione.

Qualità di acciaio più adatte per la cementazione

Non tutti i tipi di acciaio rispondono alla cementazione allo stesso modo. La scelta del materiale di base influisce in modo significativo sulla profondità della cassa ottenibile, sulla tenacità del nucleo e sulla stabilità dimensionale dopo il trattamento. Nelle applicazioni di forgiatura dell'acciaio, abbinare la qualità corretta al processo di cementazione è fondamentale per le prestazioni del pezzo.

Acciai a basso tenore di carbonio per cementazione

• AISI1018/1020: La scelta più comune ed economica. Utilizzato per alberi, perni e componenti generali di forgiatura dell'acciaio dove è necessaria resistenza all'usura superficiale ma i costi devono essere controllati. Facile da lavorare prima del trattamento.
• AISI8620: Un acciaio legato al nichel-cromo-molibdeno ampiamente utilizzato nella produzione di ingranaggi e alberi. Carbura in modo affidabile e offre un'eccellente tenacità del nucleo dopo il trattamento termico, rendendolo un grado di riferimento per la forgiatura dell'acciaio dei componenti della trasmissione.
• AISI 9310: Utilizzato in applicazioni aerospaziali ad alte prestazioni e per ingranaggi per carichi pesanti. Offre eccezionale resistenza del nucleo e temprabilità grazie all'elevato contenuto di nichel.
• AISI 4118 / 4320: Gradi al cromo-molibdeno con buona temprabilità. Utilizzato in ingranaggi di trasmissione e forgiati che richiedono profondità della cassa più profonde e migliore resistenza alla fatica.

Acciai legati da nitrurazione

• AISI4140: Un acciaio versatile al cromo-molibdeno che risponde bene alla nitrurazione gassosa. Utilizzato frequentemente per portautensili, mandrini e alberi di precisione in apparecchiature per la forgiatura dell'acciaio.
• AISI4340: Un acciaio legato al nichel-cromo-molibdeno ad alta resistenza. Dopo la nitrurazione raggiunge un'eccellente combinazione di durezza superficiale e tenacità a cuore. Comune nei pezzi fucinati aerospaziali e nei componenti strutturali.
• Nitralega 135M: Sviluppato specificatamente per la nitrurazione, contiene alluminio come elemento che forma nitruro. Produce alcuni dei più alti valori di durezza superficiale ottenibili attraverso la nitrurazione, spesso superiori a 1000 HV.

Acciai a medio tenore di carbonio per induzione e tempra alla fiamma

• AISI1045: Un acciaio a medio tenore di carbonio ampiamente utilizzato per la tempra a induzione. Comune negli alberi, negli assali e nei pezzi forgiati di attrezzi agricoli. Raggiunge 55–60 HRC sulla superficie dopo il trattamento di induzione.
• AISI 4140 / 4340: Adatto anche per la tempra ad induzione quando raffreddato da elevate temperature superficiali. Utilizzato in perni di manovella, forgiati di collari di perforazione e componenti di ingegneria pesante.
• AISI 1060 / 1080: Il contenuto di carbonio più elevato li rende adatti per applicazioni su rotaie e molle in cui viene praticata la tempra alla fiamma su superfici di contatto ad alta usura.

Come interagisce il case hardening con Forgiatura dell'acciaio Process

Nella produzione industriale, la cementazione è quasi sempre un'operazione successiva alla forgiatura. La forgiatura dell'acciaio, sia a stampo aperto, chiuso (stampo a impressione) o forgiatura a rulli, affina la struttura dei grani dell'acciaio e allinea il flusso dei grani con la geometria della parte. Questo affinamento del grano migliora le proprietà meccaniche dell'acciaio prima che venga applicato qualsiasi trattamento termico.

Dopo la forgiatura dell'acciaio, le parti vengono generalmente normalizzate o ricotte per alleviare le sollecitazioni di forgiatura, quindi sgrossate fino alle dimensioni quasi finali. In questa fase viene applicato il case hardening. La sequenza è importante: se un pezzo viene lavorato a macchina prima della cementazione, il processo di tempra può causare piccole modifiche dimensionali (distorsione) che spingono il pezzo fuori tolleranza. La maggior parte dei produttori lascia la rettifica o la finitura come fase finale dopo la tempra.

Nella cementazione dei pezzi fucinati, la struttura a grana fine prodotta durante la forgiatura dell'acciaio aiuta a limitare la variabilità della diffusione del carbonio e supporta una profondità della cassa più uniforme attraverso geometrie complesse. I pezzi fucinati con struttura a grana stretta mostrano anche una migliore resistenza alla fatica nella zona di transizione cassa-nucleo, che è dove comunemente iniziano le cricche da fatica sotto carico ciclico.

Ad esempio, gli ingranaggi di trasmissione automobilistici prodotti mediante forgiatura di acciaio a stampo chiuso in acciaio 8620 vengono regolarmente carburati a una profondità della cassa di 0,8–1,2 mm , bonificato, bonificato e poi macinato. Questa combinazione di forgiatura e cementazione produce componenti in grado di resistere a sollecitazioni di contatto superiori 1500MPa su milioni di cicli di caricamento: prestazioni che nessuno dei due processi da solo potrebbe raggiungere.

Controllo della profondità della cassa e della consistenza della durezza

Uno dei problemi più comuni nel case hardening è la profondità del case incoerente. Ciò può causare affaticamento prematuro della superficie, scheggiature o fessurazioni durante il servizio. Numerose variabili governano la coerenza della profondità del caso e il loro controllo è ciò che distingue il trattamento termico di qualità da una pratica inadeguata.

Uniformità della temperatura nel forno

I gradienti di temperatura all'interno di un forno si traducono direttamente in una variazione della profondità della cassa all'interno di un lotto. Un lotto di ingranaggi lavorato in un forno con a Variazione di temperatura di ±15°C vedrà differenze di profondità del case del 10–15% attraverso il carico. I forni industriali di cementazione a gas sono generalmente specificati per la manutenzione Uniformità di ±5°C in tutta la zona di lavoro. La calibrazione della termocoppia e la qualificazione del forno (secondo standard come AMS 2750 o CQI-9) sono pratiche standard negli impianti di trattamento termico con controllo di qualità.

Controllo del potenziale del carbonio nella carburazione a gas

Nella cementazione a gas, il potenziale di carbonio dell'atmosfera del forno deve essere attentamente regolato. Un potenziale di carbonio troppo elevato provoca la formazione di reti di carburi superficiali: carburi di ferro fragili e simili a piastre ai bordi dei grani che riducono significativamente la durata a fatica. Un potenziale di carbonio troppo basso si traduce in un carbonio superficiale insufficiente e in un caso insufficientemente rigido. La maggior parte dei sistemi di forni utilizza sonde per ossigeno (sonde a spessore o sonde lambda) per monitorare e regolare continuamente il potenziale di carbonio, mirando 0,8%–1,0% di carbonio superficiale per la maggior parte delle applicazioni su ingranaggi e alberi.

Severità del quench e progettazione dell'attrezzatura

La tempra non uniforme è un'altra delle principali cause di distorsione e durezza incoerente. Le parti che entrano nel raffreddamento con orientamenti diversi, o in cui il mezzo di raffreddamento scorre in modo non uniforme attorno alla parte, si raffredderanno a velocità diverse e produrranno microstrutture diverse in zone diverse. Dispositivi adeguatamente progettati trattengono le parti in modo sicuro durante il raffreddamento e consentono un accesso costante dei mezzi di raffreddamento a tutte le superfici. La temperatura dell'olio durante il raffreddamento viene generalmente mantenuta a 40°C–80°C (100°F–175°F) per la maggior parte delle applicazioni di forgiatura dell'acciaio: l'olio freddo si raffredda troppo duramente, l'olio caldo si raffredda troppo lentamente.

Ispezione post-trattamento

La verifica dei risultati del case hardening viene effettuata tramite test distruttivi e non distruttivi. Il test distruttivo prevede il taglio di una sezione trasversale da un campione campione elaborato con il lotto di produzione, quindi la misurazione della durezza a profondità incrementali utilizzando un tester di microdurezza Vickers per generare un profilo di durezza. La profondità effettiva della cassa è definita come la profondità alla quale scende la durezza 550 HV (circa 52 HRC) secondo ISO 2639. I metodi non distruttivi includono l'analisi del rumore magnetico Barkhausen e il test delle correnti parassite, che possono rilevare anomalie nella profondità della cassa e nella durezza superficiale senza tagliare la parte.

Errori comuni nell'indurimento del caso e come evitarli

La maggior parte degli errori di case hardening sul campo possono essere ricondotti a un numero limitato di errori evitabili. Riconoscere questi errori in anticipo, sia che si lavori in un'officina di produzione o in una piccola fucina, impedisce costose rilavorazioni e scarti di pezzi.

• Materiale di base sbagliato: Il tentativo di cementare l'acciaio ad alto tenore di carbonio aggiunge pochi vantaggi e può produrre reti di carburo fragili. Confermare sempre il contenuto di carbonio dell'acciaio di base prima di selezionare un metodo di cementazione.
• Saltando l'ira: L'acciaio bonificato senza rinvenimento è sottoposto a un enorme stress interno. Le parti possono rompersi ore dopo lo spegnimento se non vengono temprate tempestivamente. Temprare sempre entro poche ore dalla tempra, anche se si tratta di un ammollo di solo 1 ora a 160°C.
• Riscaldamento irregolare prima dello spegnimento: Una parte che non si trova a una temperatura di austenitizzazione uniforme una volta temprata avrà una microstruttura non uniforme. Garantire un tempo di immersione adeguato alla temperatura di lavorazione prima dello spegnimento. Le sezioni sottili potrebbero richiedere solo 15-20 minuti di ammollo; i pezzi fucinati spessi possono richiedere un'ora o più.
• Contaminazione superficiale: Olio, grasso o ossidazione sulla superficie del pezzo prima della cementazione creano zone morte in cui il carbonio non può diffondersi. Le parti devono essere sgrassate e leggermente sabbiate o pulite prima della lavorazione.
• Custodia sottodimensionata per l'applicazione: Una custodia sottile (0,2 mm) su un ingranaggio fortemente caricato si romperà sotto lo stress da contatto, esponendo il nucleo morbido e provocando una rapida usura o vaiolatura. Abbinare le specifiche relative alla profondità della custodia alla pressione di contatto e al carico che il componente vedrà in servizio.
• Sovracarburazione: Un tempo eccessivo o un potenziale di carbonio producono uno strato bianco spesso e fragile di austenite e carburi trattenuti sulla superficie. Questo strato può sfaldarsi, riducendo drasticamente la resistenza alla fatica anziché migliorarla.

Applicazioni in cui i componenti di forgiatura in acciaio temprato sono standard

Il case hardening non è un trattamento di nicchia. È incorporato nei processi di produzione standard di molti settori che si affidano alla forgiatura dell'acciaio per componenti strutturali e meccanici.

• Trasmissioni e differenziali automobilistici: Le corone dentate, i pignoni e gli ingranaggi centrali nelle trasmissioni automatiche sono forgiati in acciaio 8620 o 4320 e carburati con una profondità della cassa di 0,9–1,4 mm. La combinazione di durezza superficiale e tenacità del nucleo gestisce le ripetute sollecitazioni da contatto e i carichi d'urto delle trasmissioni dei veicoli per centinaia di migliaia di chilometri.
• Forgiati strutturali aerospaziali: I componenti del carrello di atterraggio, gli alberi degli attuatori e i perni dei cuscinetti negli aerei sono spesso realizzati in acciaio 4340, nitrurato o carburato per fornire resistenza all'usura pur mantenendo l'elevata resistenza e tenacità richieste dalle specifiche aerospaziali come AMS 6415.
• Attrezzature per l'industria mineraria e per l'edilizia: I perni dei cingoli, le boccole, i denti della benna e i perni del braccio dell'escavatore sono forgiati in acciai legati e cementati per resistere all'usura abrasiva derivante dal contatto con roccia e terreno. In queste applicazioni sono comuni profondità della cassa di 2–4 mm per garantire durata in condizioni estremamente difficili.
• Alberi a gomiti e alberi a camme: Gli alberi a gomiti automobilistici, spesso forgiati in acciai 1045 o microlegati, sono temprati a induzione sulle superfici dei perni per ottenere una durezza superficiale localizzata mentre il resto dell'albero mantiene la tenacità. La durezza del perno di 55–60 HRC prolunga significativamente la durata dei cuscinetti rispetto alle superfici non trattate.
• Utensili manuali e utensili da taglio: Scalpelli, punzoni e matrici in acciaio 1020 possono essere cementati a casa per produrre un tagliente duro. Questa è una delle più antiche applicazioni di cementazione e rimane rilevante per fabbri e produttori di utensili che lavorano al di fuori degli ambienti industriali.