Introduzione

Capitolo quarto
ACCIAI DA CEMENTAZIONE
INTRODUZIONE
Gli acciai da cementazione sono usati per la
fabbricazione di pezzi meccanici che devono essere
fortemente induriti in ogni zona o in alcune parti della
superficie, tramite il trattamento termico di
carbocementazione, o di carbonitrurazione, seguito da
tempra martensitica e rinvenimento di distensione. In
questo modo s’ottiene uno strato superficiale duro e un
cuore più tenero, resistente e tenace.
L’elevata durezza dello strato superficiale
conferisce al pezzo cementato e temprato alta
resistenza all’usura meccanica, mentre la resistenza e
la tenacità del cuore gli conferiscono eccellente
resistenza meccanica statica e dinamica.
Il trattamento termico di cementazione, tempra e
distensione
genera
sollecitazioni
interne
di
compressione nello strato superficiale indurito e di
trazione a cuore, con perfetta compensazione, dovendo
necessariamente essere nulla la loro sommatoria
algebrica. Lo stato di precompressione superficiale
migliora notevolmente la resistenza a fatica del pezzo.
La scelta dell’acciaio da cementazione varia in
funzione della massa del pezzo da cementare e della
resistenza del cuore desiderata. Per questa ragione
esistono acciai al solo carbonio, che possiedono bassa
temprabilità e possono soddisfare solo le esigenze di
pezzi di piccole dimensioni, e un’ampia gamma d’acciai
basso o mediamente legati, di temprabilità variabile da
medio bassa ad elevata, utili per pezzi fino a grandi
dimensioni. Tutti sono caratterizzati da un contenuto di
carbonio medio basso, generalmente ≤ 0,20 % e solo in
casi particolari ≤ 0,30 %.
Gli acciai legati, soprattutto quelli ad elevato
tenore di nichel, sono particolarmente tenaci, molto
più di quelli non legati a parità d’ogni altra
caratteristica.
Gli acciai da cementazione hanno avuto un grande
successo per la costruzione di componenti fortemente
sollecitati, proprio per la loro intrinseca caratteristica
d’abbinare uno strato superficiale duro e precompresso,
resistente all’abrasione ed alla fatica, ad un nucleo
particolarmente tenace e meccanicamente resistente,
capace di sopportare le più impegnative sollecitazioni
d’esercizio. In tal modo è possibile costruire pezzi assai
più leggeri di quelli progettati scegliendo acciai da
bonifica.
La loro buona lavorabilità alle macchine utensili,
dovuta al basso contenuto di carbonio ed allo stato
necessariamente ricotto, visto che sono destinati alla
cementazione, tempra e rinvenimento di distensione
prima della messa in opera, è un’altra caratteristica che
spesso li fa preferire agli acciai da bonifica. La
lavorabilità è particolarmente importante, visto che la
stragrande maggioranza dei pezzi costruiti con acciai da
cementazione è sottoposta a lavorazioni meccaniche
molto pesanti, talvolta con asportazione di circa il 50 %
del volume iniziale.
Dopo cementazione e tempra la durezza superficiale è
quasi sempre ≥ 58 HRC e conferisce ai pezzi trattati
un’eccellente resistenza all’usura volvente e radente. Tale
proprietà è sfruttata ampiamente negli ingranaggi, dove le
superfici dei denti sono soggette ad un moto relativo di
rotolamento e strisciamento. L’ottima resistenza all’usura
dei componenti cementati ne ha favorito l’applicazione
meccanica nei più disparati settori industriali, fra cui
spicca quello automobilistico. Ricordiamo, per esempio,
gli alberi del cambio e l’albero a camme, le boccole, i
mozzi scorrevoli, gli spinotti, gli scodellini sede delle
molle valvola.
REQUISITI DELL’ACCIAIO BASE O DEL CUORE
L’acciaio a cuore, non cementato ma temprato e
disteso, deve contribuire alla capacità del pezzo
cementato di resistere adeguatamente alle sollecitazioni
meccaniche e agli urti senza apprezzabili deformazioni,
sfondamento dello strato indurito o rottura. Perciò deve
possedere adeguata resistenza allo snervamento,
resistenza a trazione e tenacità. Per raggiungere queste
proprietà sono essenziali una composizione chimica
bilanciata e un’adeguata microstruttura.
La composizione chimica determina la temprabilità
dell’acciaio, che aumenta con l’alligazione e quindi
consente di raggiungere la microstruttura desiderata e le
caratteristiche richieste dopo trattamento termico.
I requisiti di temprabilità da soddisfare variano
secondo l’applicazione. Per i pezzi soggetti
principalmente ad usura radente o a frizione, le
prescrizioni sono generalmente modeste, ma per quelli
soggetti ad alte sollecitazioni alternate o impulsive (urti)
sono assai elevate e richiedono un’adeguata resistenza
anche del cuore.
I prodotti semifiniti d’acciaio da cementazione (barre
laminate o fucinate, vergella o filo; larghi piatti e più
raramente nastri o lamiera; fucinati e stampati) sono
generalmente ottenuti dai prodotti siderurgici primari
(lingotti), tramite formatura caldo (laminazione,
fucinatura e stampaggio). I prodotti finiti si ottengono dai
semifiniti, tramite formatura a freddo (imbutitura,
estrusione, trafilatura, ecc.) o tramite lavorazione
meccanica alle macchine utensili.
Molti pezzi costruiti con acciai da cementazione sono
fabbricati in serie di grande numerosità, come nel settore
automobilistico. In tal caso è richiesta una notevole
uniformità delle proprietà delle varie colate messe in
lavorazione, per facilitare tutte le operazioni del ciclo di
fabbricazione.
Le più importanti caratteristiche di un acciaio da
cementazione sono:
• l’idoneità alla cementazione;
• la temprabilità;
• la capacità di mantenere grano fine durante il
riscaldamento di cementazione.
Quest’ultima caratteristica permette d’ottenere buone
proprietà meccaniche anche con la tempra diretta, cioè
dalla temperatura di cementazione, o da 830÷850 °C,
dopo un breve periodo di diffusione. In tal modo si evita
la tempra differita o la doppia tempra, che si usava per
migliorare la struttura dello strato cementato, con un
importante risparmio economico soprattutto nelle
produzioni di serie.
Idoneità alla cementazione
L’idoneità alla cementazione dipende largamente dai
processi di fabbricazione, dal tipo d’acciaio e soprattutto
dalla grossezza del grano austenitico, che si forma
durante il processo di cementazione. Per questo motivo
tutte le acciaierie valutano sempre la grossezza del grano
austenitico di ogni colata col metodo Mc Quaid-Ehn UNI
3245.
L’idoneità alla cementazione dipende soprattutto dal
coefficiente di diffusione del carbonio, caratteristico
d’ogni tipo d’acciaio ed assai variabile da colata a colata.
Di solito è valutata con una prova di cementazione
condotta in condizioni standard e mirata a realizzare una
profondità definita dello strato indurito efficace
(generalmente 1 mm). La prova determina il gradiente di
carbonio, tramite il quale è possibile misurare lo spessore
dello strato con C ≥ 0,36 % e/o lo strato indurito efficace
della provetta standard (Ø 1 pollice o 25,4 mm) che
dovrebbe risultare compreso tra 0,80 e 1,10 mm (CM 9
UNI 5381). Si ricorda che la microstruttura martensitica
al 99,5 % contenente lo 0,36 % di carbonio, dopo tempra
e rinvenimento di distensione, garantisce una durezza di
550 HV1, che appunto definisce lo spessore dello strato
indurito efficace.

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