Come aumentare la resistenza dell’acciaio?

Da una parte, ci sono le sollecitazioni meccaniche e termiche. Dall’altra, il tuo prodotto che dovrà essere in grado di resistervi. Vedi ogni giorno che non è facile, vero? E te lo confermo anch’io: creare un materiale resistente non è mai facile e non si può mai dare nulla per scontato. In questo articolo scoprirai come fare per aumentare le prestazioni del componente.

 

Acciaio resistente: una necessità che conosci bene

In meccanica, si chiede veramente tanto a certi pezzi. Prendi ad esempio l’albero a camme, che comanda l’azionamento delle valvole di aspirazione e di scarico o gli ingranaggi del cambio. Ma vale lo stesso discorso per gli steli delle forcelle, in particolare quelle da cross la cui superficie può essere scalfita da pietre e polvere.

Per evitare che si usurino in poche ore di funzionamento, la superficie di questi organi meccanici dev’essere molto dura. Al tempo stesso, però, devono avere un cuore abbastanza morbido da assorbire forti carichi senza subire rotture a fatica. Insomma, si chiedono quasi dei “miracoli” a un materiale che dev’essere sempre più performante.

 

Migliorare durezza, tenacità, resistenza e lavorabilità dell’acciaio: ecco come fare

Ci sono acciai che vanno impeccabilmente a costituire le parti vitali di un motore come alberi a camme, spinotti, rulli, cuscinetti. Ma ti sei mai chiesto come si possono produrre? Ecco qualche informazione che può interessarti.

Già alla fine del II millennio a.C., gli Etruschi sapevano come aumentare durezza e resistenza all’usura di coltelli e spade. Ponevano la lama dell’utensile a contatto con particolari sostanze organiche in grado di generare carburi e nitruri. Seguivano poi due fasi, una di riscaldo e una di abbattimento severo della temperatura con una sorta di “tempra” in acqua. Un processo, come puoi vedere, che ricorda la moderna “cementazione in cassetta”.

Come puoi leggere anche qui (LINK ALTRO ARTICOLO), il rapporto calore – metallo è davvero importante. Le caratteristiche e le condizioni del passaggio di stato di un metallo, o di una lega, in funzione della temperatura vengono rappresentati nei Diagrammi di Stato.

Nel caso particolare dell’acciaio, si usa il Diagramma Ferro-Carbonio, studiato fin dall’inizio del 1900, quando si intuisce l’importanza dell’analisi delle forme e delle strutture nelle quali un acciaio o una ghisa si possono presentare, ponendo così le basi per poter comprendere le finalità e le metodologie per la conduzione di un trattamento termico.

 

In altre parole, sfruttando l’effetto del calore è possibile variare la struttura e quindi le caratteristiche del metallo.

Le fasi di tutti i trattamenti termici sono tre:

• Riscaldo
• Permanenza a temperatura
• Raffreddamento

 

Ed è proprio sulla base delle diverse modalità del raffreddamento che è stata individuata e si osserva un’ulteriore suddivisione:

• Trattamenti termici o convenzionali: con raffreddamenti in modo continuo
• Trattamenti termici o isotermici: la cui fase di raffreddamento è caratterizzata da una sosta con determinate caratteristiche di tempo e temperatura.

• Trattamenti termochimici: comportano una modifica della natura del materiale di origine, per mezzo di una diffusione nella superficie di uno o più elementi di lega.

 

I trattamenti termochimici e la cementazione

I metalli o gli acciai speciali devono presentare una particolare resistenza all’usura della loro superficie e per ottenere l’indurimento di essa vengono sottoposti a particolari trattamenti, detti trattamenti termochimici, in cui figurano:

• carbocementazone
• carbonitrurazione
• nitrurazione
• nitrocarburazione
• solfonitrurazione
• borurizzazione
• calorizzazione
• cromatizzazione
• sherardizzazione
• cementazione

 

Oggi ti voglio parlare della CARBOCEMENTAZIONE (UNI 5381) o, più comunemente, cementazione.

Attualmente, è questo il processo di diffusione impiegato con maggior frequenza a livello industriale. Utilizzandola possiamo ottenere un risultato straordinario: il pezzo metallico acquisisce un indurimento della superficie. Diventa così più resistente all’usura, mentre il suo cuore mantiene una notevole duttilità e tenacità.

Di cementazione si parla già nell’opera del senese Vannuccio Biringuccio Pirotechnia del 1540 e nel trattato De re metallica di Giorgio Agricola del 1550. Entrambi spiegano come riscaldare a lungo i masselli di ferro dolce nella ghisa fusa, che cede carbonio. Nel secolo XVII, dapprima in Piemonte e in Inghilterra, poi in altri paesi di Europa e quindi in America, si diffuse la cementazione come procedura di trasformazione del ferro in acciaio. Si devono a Réamur (1720-1722) le prime ricerche sistematiche sull tema, che diedero impulso all’industria dell’acciaio cementato, specie dopo che nel 1740 Benjamin Hurtsman trovò il modo di fondere l’acciaio al crogiuolo.

Una volta valutato se un acciaio è da tempra o da cementazione, consultando il diagramma ferrocarbonio, si può procedere alla cementazione, di seguito schematizzata:

La cementazione può sviluppare un’azione diretta o indiretta dei cementi utilizzati, in pratica vuol dire che nel primo caso il cemento in soluzione gassosa, liquida o solida, va a penetrare da solo nella superficie del metallo, e durante l’azione indiretta, penetra fino ad una certa profondità, essendo un cemento allo stato combinato (per diffusione).

Consiste nella carburazione superficiale di particolari in acciaio a basso tenore di carbonio (max. 0.25%) ad una temperatura pari ad Ac3+50°C, comunque generalmente compresa tra 850 °C e 950 °C. Può avvenire tramite un mezzo polverulento, pastoso, liquido o gassoso di particolare composizione chimica in grado di garantire un arricchimento superficiale di carbonio

 

La cementazione+tempra aumenta la durezza solo in superficie lasciando il cuore del pezzo non indurito, per cui più tenace e resistente agli urti. Rispetto alla tempra ad induzione in genere si raggiungono valori di durezza maggiori. Solitamente quando si tempra un pezzo lo si tempra a cuore (ovvero completamente). In caso di modifiche o si agisce con la rettifica, oppure si interviene con rinvenimento, che rimodifica la struttura molecolare dell’acciaio.

 

La cementazione è normalmente seguita da un trattamento di tempra in olio e successivo rinvenimento per ottenere la durezza superficiale richiesta. La lavorazione viene eseguita sugli acciai da cementazione (16CrNi4, 16MnCr5, 18NiCrMo5, 20MnCr5, ecc.) allo scopo di migliorarne la resistenza all’usura e alla fatica.

 

Questo, in breve, è il procedimento, che viene eseguito in atmosfera controllata ad una temperatura che varia generalmente da 870°C a 940°C. Si effettua un arricchimento di Carbonio sulla superficie di un componente meccanico realizzato in acciaio allo stato semilavorato/finito (il trattamento può comportare una deformazione che varia in funzione della colata del materiale e della geometria del pezzo).

 

Risparmiare con la cementazione? Si può fare.

Oggi hai a disposizione tutta una serie di acciai che possono acquistare, con adeguato trattamento termico, un’elevata durezza che può andar congiunta con una certa tenacità. Eppure l’esperienza ha mostrato quanto sia vantaggioso ricorrere, per una grande quantità di applicazioni pratiche, ad acciai a tenore basso di carbonio cementati che vanno soggetti a incidenti di tempra, come cricche e deformazioni, assai meno degli acciai duri a composizione uniforme.

 

Ma non solo. Avendo cura di proteggere con opportuni mezzi ricoprenti le parti che non interessano, la cementazione può esser limitata alle sole parti da indurire; il cuore resta facilmente lavorabile; la resistenza a fatica dei pezzi risulta molto accresciuta con la cementazione. Le belle notizie non sono finite… abbiamo tenuto il meglio per ultimo. Gli acciai da cementazione si lavorano più agevolmente all’utensile degli acciai duri e, soprattutto, costano molto meno!

 

Nell’industria meccanica non si contano ormai più le richieste di pezzi cementati e senza dubbio questa tendenza riguarda anche te. Se hai deciso di rispondere con tempismo e ‘buoni argomenti’ ai tuoi clienti, se progetti di prendere in carico nuove e ambiziose commesse, abbiamo molto da offrirti! Consultaci senza impegno.