La cementazione è un processo di tempra superficiale ad alta temperatura che consente di ottenere componenti con un esterno duro e resistente all'usura e un nucleo tenace e ammortizzante. La cementazione è il trattamento termico standard per componenti ad alta resistenza nei settori automobilistico e aerospaziale, inclusi ingranaggi di trasmissione, alberi di trasmissione e cuscinetti ad alto carico.
Cos'è la carburazione?
La cementazione è un processo di trattamento termico chimico in cui un pezzo viene riscaldato e mantenuto in un mezzo cementante per consentire agli atomi di carbonio di penetrare nella sua superficie. Si tratta di un processo di trattamento termico comune per i materiali metallici, che consente alla superficie cementata del pezzo di raggiungere un'elevata durezza e una migliore resistenza all'usura. Il processo di cementazione è ampiamente utilizzato per componenti meccanici di aeromobili, automobili e trattori, come ingranaggi, alberi e alberi a camme.
In base ai diversi mezzi contenenti carbonio, la cementazione può essere classificata in cementazione gassosa, cementazione solida e cementazione liquida.
La cementazione a gas è un processo in cui il pezzo viene inserito in un forno di cementazione sigillato in cui viene introdotto un carburante gassoso (metano, etano, ecc.) o liquido (cherosene, benzene, alcol, acetone, ecc.). Questi si decompongono ad alte temperature in atomi di carbonio attivi che penetrano nella superficie per formare uno strato superficiale ad alto tenore di carbonio.
La cementazione solida è il metodo più antico, che prevede il posizionamento del pezzo in lavorazione e di un carburatore solido (carbone più un attivatore) in una scatola di cementazione sigillata, che viene poi riscaldata in un forno fino alla temperatura di cementazione e mantenuta per un certo periodo di tempo per consentire agli atomi di carbonio attivo di penetrare nella superficie.
La cementazione liquida utilizza mezzi liquidi per il processo. I mezzi di cementazione liquidi più comuni includono il carburo di silicio e gli agenti cementanti "603".
Carburazione a gas
La cementazione a gas è attualmente il metodo più diffuso e in più rapida crescita. Permette di ottenere un'atmosfera controllata e una qualità del prodotto stabile grazie alla regolazione razionale dei parametri di processo.
La cementazione a gas è oggi diffusa grazie alla sua idoneità alla produzione di massa, alla semplificazione delle operazioni e alla facilità di controllo qualità. Questo metodo utilizza principalmente gas naturale, propano o butano come agente principale. Offre vantaggi come la concentrazione superficiale regolabile del carbonio, la facile automazione del flusso di gas e del controllo della temperatura e la semplicità di gestione. Tra gli svantaggi figurano attrezzature costose e costi elevati per piccoli lotti, che richiedono competenze operative specialistiche.
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Esistono due metodi di cementazione a gas: il metodo a goccia e il metodo a gas endotermico. Nel metodo a goccia, il pezzo viene inserito in un forno a pozzo sigillato con un mezzo di cementazione attivo e riscaldato fino alla regione dell'austenite monofase a 900-950 °C (comunemente 930 °C). Dopo un tempo di permanenza sufficiente, gli atomi di carbonio attivo decomposti dal mezzo penetrano nella superficie dell'acciaio, determinando un elevato tenore di carbonio in superficie, mentre il nucleo mantiene la sua composizione originale. L'atmosfera di cementazione nel forno si forma principalmente dalla decomposizione di liquidi organici come cherosene, acetone, toluene e formaldeide ad alte temperature, costituita principalmente da CO, H₂ e CH₄, con piccole quantità di CO₂ e H₂O.
Anche il processo di carburazione gassosa si compone di tre fasi fondamentali: decomposizione, assorbimento e diffusione. In primo luogo, il mezzo carburante si decompone ad alte temperature per produrre atomi di carbonio attivi:
CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]
2CO ⇌ CO₂ + [C]
CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]
Successivamente, gli atomi di carbonio attivo vengono assorbiti dalla superficie dell'acciaio, disciolti nell'austenite ad alta temperatura e diffondono verso l'interno formando uno strato cementato di un certo spessore. La profondità dello strato dipende principalmente dal tempo di mantenimento. A temperatura costante, tempi di mantenimento più lunghi si traducono in strati più spessi. In produzione, il metodo del "controllo a campione in loco" viene spesso utilizzato per determinare il tempo esatto di scarica.
Quando si utilizza un forno a pozzo a 930°C, la relazione tra tempo di cementazione e profondità:
| Tempo di cementazione/h | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Profondità dello strato cementato /mm | 0.4-0.6mm | 0.6-0.8mm | 0.8-1.2mm | 1-1.4mm | 1.2-1.6mm |
Carburazione sotto vuoto
La cementazione sotto vuoto prevede il posizionamento del pezzo in un forno sotto vuoto, l'evacuazione e il riscaldamento per purificarne l'interno. Una volta raggiunta la temperatura di cementazione, viene introdotto un idrocarburo (come il propano). Dopo un certo periodo di tempo, il carburatore viene spento e il forno viene nuovamente evacuato per la diffusione.
La cementazione sotto vuoto è un tipo di cementazione a gas eseguita sotto vuoto, tipicamente a temperature più elevate (1030–1050 °C). Il vuoto ha un effetto pulente sulla superficie, facilitando l'adsorbimento degli atomi di carbonio e riducendo significativamente il tempo di ciclo a circa un terzo di quello richiesto per la cementazione a gas standard. Inoltre, i forni a vuoto non aumentano i costi di manutenzione alle alte temperature.
Inoltre, la cementazione sotto vuoto non richiede gas di trasporto o controllo del potenziale di carbonio. La concentrazione di carbonio dipende dal rapporto tra il tempo di spinta e il tempo di diffusione, eliminando la necessità di controllori del potenziale di carbonio e generatori di gas. Questo processo offre vantaggi significativi in termini di qualità del prodotto e risparmio energetico.
Carburazione al plasma
La cementazione al plasma utilizza il bombardamento al plasma per supportare la cementazione a gas. Come la cementazione sotto vuoto, non richiede generatori di gas o regolatori del potenziale di carbonio. La concentrazione dello strato può essere controllata regolando la densità di corrente di scarica. Grazie al rafforzamento del processo dovuto all'impatto del plasma, la velocità di cementazione è molto più rapida rispetto alla cementazione tradizionale, persino paragonabile a quella della cementazione sotto vuoto.
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Acciai per cementazione
Gli acciai utilizzati per la cementazione sono generalmente acciai a basso tenore di carbonio e acciai legati a basso tenore di carbonio, con una frazione di massa di carbonio richiesta compresa tra lo 0.1% e lo 0.25% per garantire resistenza e tenacità sufficienti a cuore. Elementi di lega come Cr, Ni, Mn, Ti e Mo vengono aggiunti per migliorare la temprabilità, affinare i grani, prevenire il surriscaldamento e aumentare la tenacità a cuore.
Gradi e applicazioni comuni:
Acciai a bassa resistenza (S355, 1022, 5120, ecc.): utilizzati per parti resistenti all'usura e a basso carico, come piastre di attrito, boccole e calibri.
Acciai a media resistenza (20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo, ecc.): utilizzati per parti soggette a usura e fatica di media entità, come alberi, ingranaggi e perni.
Acciai ad alta resistenza (12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi, ecc.): utilizzati per parti ad alta resistenza e carichi pesanti, come alberi motore ad alta potenza e ingranaggi per impieghi gravosi.
Trattamento termico dopo la cementazione
Dopo la carbocementazione, i pezzi devono essere sottoposti a trattamento termico per migliorare la resistenza superficiale, la durezza e la resistenza all'usura, raffinando al contempo i grani e aumentando la tenacità del nucleo.
Quenching diretto
La tempra diretta prevede il raffreddamento del pezzo in forno (o preraffreddamento) a 760–860 °C dopo la cementazione e la successiva tempra. Il preraffreddamento riduce le tensioni interne e le deformazioni e consente all'austenite ad alto tenore di carbonio di precipitare i carburi, riducendo l'austenite residua. Questo metodo aumenta la produttività e riduce i costi, ma è adatto solo per acciai a grano fine intrinseco e non per casi con concentrazioni superficiali di carbonio molto elevate.
Tempra singola
Dopo un lento raffreddamento successivo alla cementazione, il pezzo viene riscaldato nuovamente al di sopra della temperatura critica e spentoSe i requisiti di resistenza del nucleo sono elevati, la temperatura dovrebbe essere leggermente superiore ad A3. Per parti con carichi bassi ma requisiti superficiali elevati, la temperatura è impostata a 30–50 °C al di sopra di Ac1.
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Doppia tempra
La doppia tempra viene utilizzata per componenti con elevati requisiti meccanici o realizzati in acciai intrinsecamente a grano grosso. La prima tempra (oltre A3 + 30–50 °C) migliora la struttura del nucleo. La seconda tempra (oltre Ac1 + 30–50 °C) affina la struttura superficiale per ottenere martensite fine e carburi secondari granulari.
I pezzi cementati vengono rinvenuti a 150–250 °C dopo la tempra. Per gli acciai non legati, si utilizza una temperatura di 150–180 °C; per gli acciai legati, si utilizza una temperatura di 160–200 °C. Dopo la tempra e il rinvenimento a bassa temperatura, la durezza superficiale può raggiungere 58–64 HRC con un'eccellente resistenza all'usura, mentre il cuore rimane tenace. Le sollecitazioni di compressione che si formano in superficie migliorano anche la resistenza a fatica.
Prestazioni delle parti cementate
La microstruttura superficiale dopo la tempra è costituita principalmente da martensite ad alta durezza, con austenite residua e piccole quantità di carburi. Il nucleo è costituito da martensite tenace a basso tenore di carbonio (la ferrite è da evitare). Gli spessori tipici degli strati sono 0.8–1.2 mm, ma possono superare i 2 mm per la cementazione profonda. La durezza superficiale raggiunge 58–63 HRC e quella del nucleo è 30–42 HRC. La cementazione aumenta efficacemente la resistenza, la resilienza e la resistenza all'usura, prolungando così la durata del componente.
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