Cos’è la cementazione acciaio
Già dal termine si comprende che la cementazione acciaio (anche detta carbo-cementazione) è un trattamento termo-chimico che coinvolge acciaio e carbonio.
Ma come?
Con il termine cementazione dell’acciaio, o carbocementazione, ci si riferisce ad un processo termochimico che permette di migliorare la resistenza e durezza superficiale di componenti metalliche tramite l’introduzione di carbonio nella loro superficie.
Si tratta di uno dei trattamenti termici più diffusi per la lavorazione dell’acciaio, spesso seguito da tempra e rinvenimento (bonifica).
Tra i diversi trattamenti termici disponibili per gli acciai, la cementazione è specificamente adatta per quelli a basso tenore di carbonio, di solito con composizione inferiore allo 0,20%.
L’obiettivo principale è creare uno strato superficiale di notevole durezza, solitamente nell’ordine del millimetro, che conferisca resistenza all’usura e alla fatica, mentre il nucleo del materiale mantiene una buona tenacità grazie al basso tenore di carbonio, rendendolo adatto per applicazioni che richiedono robustezza, come nelle infrastrutture.
Come avviene il processo di cementazione?
Quali tipologie di acciaio coinvolge?
Vediamo più nel dettaglio cos’è la cementazione, come avviene il processo, quali sono gli acciai più utilizzati e i loro campi d’impiego.
Cementazione acciaio: il ruolo del carbonio
Approfondendo il processo termico, una breve analisi sul ruolo del carbonio risulta doverosa.
La cementazione arricchisce infatti la superficie di componenti metallici, principalmente acciaio, proprio con atomi di carbonio.
Questo trattamento si basa sulla diffusione atomica del carbonio all’interno del reticolo cristallino dell’acciaio, un fenomeno noto come “adsorbimento“.
Tale processo è facilitato dall’aumento della temperatura e del tempo di mantenimento, oltre che dalla concentrazione elevata di carbonio nell’ambiente.
Indipendentemente dal tipo di processo di cementazione impiegato, l’agente principale è sempre il monossido di carbonio. A temperature intorno ai 900°C, il monossido di carbonio interagisce con l’acciaio, trasferendo atomi di carbonio al reticolo cristallino.
Il “potenziale di carbonio” dell’ambiente di reazione, definito come la sua capacità di cedere carbonio all’acciaio, dipende dalla sua natura chimica e rappresenta un parametro fondamentale per il controllo del processo, come lo sono temperatura e tempo di trattamento.
I moderni processi industriali di cementazione si avvalgono di atmosfere gassose, operando a temperature tra i 900°C e i 930°C. Queste atmosfere sono ottenute miscelando un gas portante con un idrocarburo gassoso, come il metano, al fine di favorire la diffusione del carbonio.
La cementazione in fase gassosa consente un elevato grado di controllo del processo, permettendo di regolare il potenziale di carbonio mediante la misurazione della quantità di vapore d’acqua nell’ambiente.
Il processo di cementazione dell’acciaio
La cementazione si suddivide in tre fasi ben definite, a cui seguono lavorazioni altrettanto note:
Esposizione a Temperature Elevate:
Il componente metallico viene quindi esposto a temperature elevate, di solito comprese tra 850°C e 950°C, in un ambiente ricco di carbonio. Questo favorisce la diffusione del carbonio nella superficie del metallo, un fenomeno essenziale per la cementazione.
Diffusione del Carbonio:
Durante l’esposizione alle alte temperature, il carbonio in forma atomica si diffonde all’interno del reticolo cristallino dell’acciaio, arricchendo la superficie del metallo con atomi di carbonio. Questo processo, noto come adsorbimento, è favorito dall’aumento della temperatura e del tempo di mantenimento, oltre alla concentrazione di carbonio nell’ambiente.
Tempra:
Dopo la fase di diffusione del carbonio, il componente metallico viene temprato. Questo significa che viene raffreddato rapidamente per indurre la trasformazione martensitica dell’acciaio, aumentandone ulteriormente la durezza superficiale. La tempra è essenziale per garantire la massima durezza e resistenza superficiale.
Continua a leggere sulla tempra qui.
In seguito alla fase di arricchimento da carbonio, l’acciaio cambia le proprie caratteristiche metallurgiche.
Presenta una netta ottimizzazione delle proprietà superficiali, ma può presentare punti critici e differenze di tensione tra strato esterno e interno.
Ecco perché, la cementazione dell’acciaio è spesso seguita dal rinvenimento (dunque bonifica) del materiale.
Rinvenimento:
Infine, il componente temprato viene sottoposto a un processo di rinvenimento a temperature più basse. Questo step mira a ridurre eventuali tensioni residue generate durante la tempra e a migliorare la tenacità del materiale. Il rinvenimento è fondamentale per ottenere un equilibrio ottimale tra durezza superficiale e tenacità del materiale.
Continua a leggere sul rinvenimento qui.
Le temperature e i tempi durante il processo di cementazione variano in base al tipo di acciaio e alle specifiche dell’applicazione. Tuttavia, di seguito sono riportati alcuni parametri tipici:
Temperatura di Cementazione: Tra 850°C e 950°C.
Tempo di Mantenimento: Solitamente da 1 a 10 ore, a seconda della profondità di cementazione desiderata e del materiale trattato.
Temperatura di Tempra: Solitamente dopo la cementazione, il pezzo viene riscaldato a una temperatura compresa tra 800°C e 900°C e successivamente raffreddato rapidamente.
Temperatura di Rinvenimento: Di solito si esegue a temperature comprese tra 150°C e 250°C, a seconda delle specifiche del materiale e delle proprietà desiderate.
Gli Acciai da Cementazione
Gli acciai più diffusi per la cementazione sono generalmente quelli con un basso tenore di carbonio (< 0,2%), poiché la cementazione è mirata a arricchire la loro superficie con carbonio per aumentare la durezza.
Alcuni degli acciai comunemente utilizzati per la cementazione includono:
Acciaio al carbonio: Gli acciai al carbonio con un tenore di carbonio inferiore allo 0,20% sono tra i più utilizzati per la cementazione. Questi acciai offrono una buona tenacità nel nucleo e una superficie che può essere migliorata mediante il trattamento di cementazione.
Acciaio legato al cromo: Gli acciai legati al cromo sono spesso impiegati per la cementazione. Il cromo aggiunto migliora ulteriormente la resistenza all’usura e la durezza superficiale dopo il trattamento di cementazione.
Acciaio legato al nichel: Alcuni acciai legati al nichel sono adatti per la cementazione. Il nichel aggiunto migliora la resistenza e la durevolezza, oltre a favorire la tenacità complessiva del materiale.
Acciaio legato al manganese: Gli acciai legati al manganese possono essere utilizzati per la cementazione. Il manganese contribuisce alla formazione di carburi, migliorando la durezza superficiale dopo il trattamento termico.
Acciaio legato al molibdeno: Anche gli acciai legati al molibdeno sono comunemente utilizzati per la cementazione. Il molibdeno aggiunto aumenta la resistenza e la durezza, rendendo l’acciaio adatto per applicazioni ad alta resistenza e resistenza all’usura.
Questi sono solo alcuni esempi degli acciai più diffusi utilizzati per la cementazione, ma ce ne sono molti altri, ognuno con caratteristiche specifiche che li rendono adatti a determinate applicazioni e requisiti di prestazioni.
Tra i settori industriali di più largo impiego di acciai da cementazione vi sono:
- ingranaggi per l’industria automobilistica
- alberi di trasmissione
- componenti dentate
- pignoni
- boccole
Grazie alla cementazione, questi componenti possono garantire prestazioni elevate e una lunga durata nel tempo, anche in condizioni di carico estremo.
