Carbocementazione

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La carbocementazione è un processo metallurgico utilizzato per aumentare la resistenza all'usura degli acciai.

L'arricchimento superficiale in carbonio (circa 0,8%), e la conseguente formazione di carburi, è utile per conferire resistenza all'usura e rafforzamento grazie al meccanismo di Orowan in superficie, unite a tenacità interna (per esempio per denti di ingranaggi). Conviene eseguirlo su acciaio dolce portato oltre la temperatura Ac3[circa 950 °C], in quanto l'austenite solubilizza meglio il carbonio.
Il carbonio migra oltre la superficie per diffusione, quindi la legge che ne regola il meccanismo è la seconda legge di Fick; importanti sono inoltre parametri come la temperatura, il tipo di reticolo metallico, la differenza di concentrazione tra ambiente esterno e interno (quindi si usa acciaio dolce con C < 0,2%, così che la forza motrice dovuta al gradiente di concentrazione sia la massima possibile) e l'estensione dei giunti dei grani (attraverso i quali gli atomi diffondono meglio).
Esistono diversi metodi di carbocementazione, in base alla sostanza cementante, ma si sottolinea che l'ambiente è sempre gassoso, in quanto vi è sempre la necessità del trasporto operato dall'ossido di carbonio. A fine trattamento termico si otterrà uno strato superficiale altamente cementato e duro; inoltre si potrà eseguire un trattamento di tempra per conservare la tenacità al cuore.

Prodotti di solito cementati: ingranaggi.

Esempio di acciaio cementabile: 18CrMo4.

Carbocementazione solida[modifica | modifica sorgente]

Il pezzo è introdotto in una cassetta e ricoperto di cemento solido (85% carbone vegetale e 15% di carbonato di bario e agenti catalizzatori), quindi portato a una temperatura accettabile in considerazione della necessaria velocità di esecuzione e del non eccessivo ingrossamento della grana cristallina. È un processo semplice ma non particolarmente efficace.
La sostanza cementante è il CO, che viene prodotto per reazione del carbone con l'ossigeno:

2C + O2 --> 2CO

Oppure si utilizzano sostanze attivanti come il carbonato di bario e il carbonato di calcio. Alla temperatura di 900-920° i carbonati si decompongono in ossidi e anidride carbonica:

BaCO3 --> BaO + CO2
CaCO3 --> CaO + CO2

La reazione è immediata per il carbonato di calcio, che quindi fornisce la CO2 necessaria ad iniziare il processo, mentre è lenta e graduale per il carbonato di Bario che quindi serve a fornire CO2 a man mano che la precedente viene consumata. La CO2 messa in libertà reagisce con il carbonio del carbone di legna presente nella cassetta secondo l'Equilibrio di Boudouard

C + CO2 ⇄ 2CO 

che in queste condizioni (temperatura di 900 °C e pressione di circa 1atm) è spostato verso destra e l'atmosfera gassosa si riempie di ossido di carbonio.

L'ossido di carbonio ottenuto nei modi appena descritti costituisce l'agente cementante diretto. Al contatto dell'ossido di carbonio con la zona superficiale dell'acciaio, che non contiene carbionio libero, l'Equilibrio di Boudouard si sposta nuovamente verso sinistra

C + CO2 ⇄ 2CO 

e il carbonio formatosi si scioglie e diffonde in modo interstiziale nella fase austenitica.

Il trattamento avviene a circa 900 °C, quando l'acciaio è in campo γ. Se alcune zone non devono essere cementate, vengono ricoperte con rame elettrodepositato o con argilla.

Carbocementazione in bagno di sali (Carbonitrurazione)[modifica | modifica sorgente]

Si circonda il pezzo di cemento liquido (miscela di NaCl, NaCN e Na2CO3) ad una temperatura compresa tra 870 e 950 °C; vi è anche dell'azoto che, se in modesta quantità, aiuta a indurire lo strato superficiale.
Il cianuro tende ad ossidarsi alla superficie per dare cianato:

2NaCN + O2 --> 2NaCNO

Il cianato tende a decomporsi alla superficie:

8NaCNO --> 4NaCN + 2Na2CO3 + 2 CO + 4N
2CO --> CO2 + C

Oltre al C si ha diffusione di azoto (carbonitrurazione).
È un processo più veloce, preciso e meno influenzante la dimensione della grana cristallina e l'aspetto superficiale del pezzo trattato. Si usa per ingranaggi di biciclette e motociclette, catene, parti di computer, armi, strumenti di precisione.

Carbocementazione in fase gassosa[modifica | modifica sorgente]

È il metodo di cementazione più diffuso e più facile da controllare, nonché l'unico utilizzato attualmente.
L'agente cementante è ossido di carbonio creato dalla combustione di gas naturale, metano, etano, propano, butano o carbone a circa 900 °C, secondo la reazione:

2CO --> C + CO2

Altro carbonio deriva dalla piroscissione degli idrocarburi saturi.
Il potenziale di carbonio dell'atmosfera deve essere sempre maggiore della concentrazione di tale elemento nel pezzo trattato, altrimenti prevale la decarburazione promossa da CO2, H2O e H2. Inizialmente esso è pari a quello di saturazione dell'austenite alla temperatura di processo (fase di cementazione attiva). In seguito si abbassa la concentrazione di C dell'atmosfera al valore che si vuole avere sulla superficie del pezzo, così che l'eccesso di C diffonda verso l'interno (periodo di diffusione).

Trattamento termico dei pezzi cementati[modifica | modifica sorgente]

L'ottenimento di buone proprietà meccaniche necessita di un trattamento termico separato per il cuore e per la superficie.

Trattamento termico del cuore[modifica | modifica sorgente]

Essendo il contenuto di carbonio basso, il cuore viene portato in campo austenitico, a circa 880 °C, e successivamente temprato in acqua. Si ottiene una miscela di ferrite, bainite e martensite, a grano fine.

Trattamento termico della superficie[modifica | modifica sorgente]

Nel corso del primo trattamento, la superficie viene completamente trasformata in martensite. Per questo si procede ad un trattamento a circa 760 °C, in cui la superficie si trasforma in austenite, seguito da tempra in acqua, con l'ottenimento di martensite fine.

Un rinvenimento a circa 200 °C completa il ciclo.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]