Cementazione, la mossa vincente contro l’usura
Lavori con l’acciaio e vuoi garantire ai tuoi pezzi uno strato superficiale durissimo e resistente? E nel contempo, però, il cuore tenace? La risposta vincente è la carbocementazione o – semplicemente – cementazione. Qui ti spiego come funziona.
Una risposta per tre domande cruciali
Concentriamoci per un attimo sui pezzi che per il loro impiego vanno invariabilmente incontro ad usura meccanica. Un problema tanto frequente quanto complesso: provo a scinderlo in tre voci diverse. Ovvero, una breve serie di obiettivi:
- aumentare la resistenza all’usura
- aumentare la capacità delle superfici a resistere ad elevate pressioni specifiche
- aumentare la resistenza a fatica generalmente induce tensioni residue superficiali di compressione, benefiche in termini di incremento della resistenza a fatica
Non dico che sia facile, ma voglio dimostrarti che la cementazione lo rende possibile. Che ne diresti di raggiungere tutti e tre gli obiettivi adottando il trattamento giusto, capace di creare uno strato superficiale protettivo? In pratica, quello che ti serve è riuscire, mediante la diffusione, di un elemento interno in grado di modificare le proprietà e la composizione del pezzo, ad indurire lo strato superficiale di pezzi in acciaio a basso contenuto di carbonio. In pratica, si tratta di effettuare la cementazione… e il gioco è fatto!
Facciamo una doverosa premessa: l’acciaio è una lega metallica i cui composti principali sono il ferro e il carbonio. Si chiamano propriamente ‘acciai’ quelle leghe il cui tenore di carbonio è inferiore al 2.08%. Gli acciai detti ‘dolci’ (con un tenore di carbonio non superiore all’1%) hanno elevata resistenza meccanica sia a trazione che a compressione, facile lavorabilità alle macchine utensili, buona malleabilità, duttilità ed un alto indice di resilienza. Difficilmente, quindi subiscono rotture in seguito a un urto.
Ma le proprietà meccaniche degli acciai variano in relazione al variare del tenore di carbonio: se questo aumenta, diminuiscono la resistenza meccanica e la resilienza ma aumenta notevolmente la durezza. Alcuni pezzi devono avere una superficie molto dura per evitare l’usura in poche ore di funzionamento ma il cuore sufficientemente morbido per assorbire forti carichi senza rotture a fatica. Un buon esempio è l’albero a camme che comanda l’azionamento delle valvole di aspirazione e di scarico.
È ben noto che all’aumentare del tenore di Carbonio, diminuiscono nell’acciaio la resistenza meccanica e la resilienza ma aumenta notevolmente la durezza. Ed eccoci già arrivati al punto: un terzo di tutti i trattamenti termici si effettua tramite cementazione tempra e distensione. Parliamone allora nel dettaglio: in quest’articolo voglio proprio parlare della cementazione, uno dei trattamenti termici effettuabile in Steelbetter. La propongo a chi vuole un prodotto che presenti uno strato superficiale durissimo e resistente all’usura, unitamente ad un cuore tenace.
Cementazione: un trattamento in tre step
Guardando al risultato finale, posso anticiparti che la cementazione può variare da uno strato di alcuni decimi di millimetro fino a 2 millimetri, in base alla destinazione d’uso del pezzo trattato. Sono a tua disposizione per fare le considerazioni opportune e collocare l’intervento nel giusto range delle tue aspettative.
Nel corso del procedimento, il pezzo viene prima arricchito con il carbonio per poi essere temprato in forno ad atmosfera controllata ad una temperatura di 900-920 °C, provvedendo ad un lungo mantenimento ad alta temperatura in mezzi adatti al bisogno. L’agente cementante è ossido di carbonio generato dalla combustione del metallo. Si realizza così quella che è definita la “carburazione superficiale” di acciai a basso tenore di carbonio.
L’intero processo comporta tre fasi ben distinte:
• Un processo termochimico in un forno a camera con tempra integrata che arricchisce la superficie in un ambiente carico di carbonio in un intervallo di temperatura tra 880 e 980 °C.
• L’indurimento si ottiene dopo la tempra in olio, oppure in casi speciali in una soluzione di polimeri/acqua o in sale.
• Segue un’operazione di rinvenimento/distensione. La temperatura e la durata del rinvenimento sono funzione delle durezze richieste; il rinvenimento/distensione riduce il rischio di cricche.
Solida, liquida o gassosa? Scegli la cementazione che fa per te
Per concludere la trattazione sul trattamento termochimico che deforma maggiormente i pezzi. Il mezzo – ambiente in cui procedere può essere:
• solido (carbocementazione in cassetta, ormai quasi in disuso)
• liquido (carbocementazione in bagno di sali fusi )
• gassoso ( carbocementazione gassosa)
• Cementazione solida
I pezzi da cementare vengono introdotti in cassette di acciaio contenenti carbone di legna, carbonato di bario (BaCO3) e di calcio (CaCO3). Il tutto viene riscaldato per alcune ore a 900/920°C. A questa temperatura avvengono le seguenti reazioni:
CaCO3 -> Cao + CO2
BaCO3 -> BaO + CO2
La prima reazione è pressoché immediata, la seconda avviene più lentamente e garantisce la presenza di CO2 nel tempo. Questa CO2 (Anidride carbonica) reagisce con il C del legno secondo la seguente reazione nota anche con il nome di equilibrio di Boudouard:
CO2 + C <-> 2CO
Nelle condizioni in cui si opera è molto più facile che avvenga la produzione di monossido di carbonio (CO) piuttosto che di anidride carbonica (CO 2) e carbonio, cioè la reazione si dice spostata a destra. Al contatto del CO con la superficie del pezzo, l’equilibrio sopra scritto si sposta nuovamente a sinistra e il carbonio formatosi si scioglie e si diffonde in superficie. Il processo viene arrestato quando la concentrazione del carbonio in superficie raggiunge lo 0.8-1%.
• Cementazione liquida
I pezzi da cementare vengono immersi in bagni di sali fusi quali cianuro di sodio, carbonati e cloruri alcalini e di bario. Il cianuro di sodio reagisce con l’ossigeno dell’aria e con l’anidride carbonica (CO2) liberando ossido di carbonio che a contatto coll ferro sposta l’equilibrio visto prima verso sinistra rilasciando nel pezzo atomi da carbonio.
• Cementazione gassosa
Adatta soprattutto alla produzione di grande serie, oggi è di gran lunga la più diffusa. Consiste nel riscaldare i pezzi da cementare a 920-930 °C in una corrente gassosa. Questa è costituita essenzialmente da metano (CH4) che a contatto con l’anidride carbonica e l’ossigeno, libera molecole di CO. A questo punto il processo è identico ai due casi di sopra. La cementazione gassosa ha il vantaggio di sopprimere il cementante solido che è ingombrante e fonte di sporcizia. Il vantaggio principale consiste però nella possibilità di procedere ad una tempra diretta al termine dell’operazione, senza bisogno di un ulteriore riscaldamento dei pezzi.
A prescindere dai diversi metodi di carbocementazione, in base alla sostanza cementante, l’obiettivo è invariabilmente l’ottenimento di uno strato superficiale duro (martensitico, ad alto tenore di C) ed un cuore tenace (a basso tenore di C). L’ambiente in cui si effettua il processo è sempre gassoso, in quanto vi è sempre la necessità del trasporto operato dall’ossido di carbonio.
Ti sarà senz’altro utile sapere che è possibile cementare un’ampia varietà di acciai, e che sono sempre a tua disposizione per una consulenza, considerando attentamente le tue esigenze e prospettandoti le diverse soluzioni da raggiungere insieme. Se sei interessato a ottenere uno strato superficiale altamente cementato e duro chiamami senza alcun impegno: posso inoltre offrirti l’esecuzione del successivo trattamento di tempra per conservare la tenacità al cuore.