Cementazione e indurimento superficiale: le basi

L'idea

Alcuni pezzi richiedono due proprietà contraddittorie: una superficie che resiste all'usura e alla fatica da contatto e un cuore che assorbe gli urti senza criccarsi. La cementazione offre entrambe da un unico pezzo di acciaio a basso carbonio. Il pezzo viene mantenuto a circa 880–950 °C in un'atmosfera ricca di carbonio; il carbonio diffonde nella superficie e una tempra successiva indurisce solo tale strato arricchito — lo strato cementato — mentre il cuore a basso carbonio rimane comparativamente tenero e tenace.

Profondità dello strato cementato

La profondità dello strato cementato è specificata come la profondità alla quale la durezza scende a un livello definito — comunemente 550 HV nella prassi europea (CHD, profondità di cementazione). Contano due profondità:

• Profondità efficace dello strato (fino a 550 HV): tipicamente circa 0.3–2.5 mm per ingranaggi e alberi, adeguata alla sollecitazione di contatto e al modulo dell'ingranaggio.
• Profondità totale dello strato: l'intera zona di diffusione, sempre più profonda della profondità efficace.

Strati più profondi richiedono tempi di forno sproporzionatamente più lunghi, perché la profondità di diffusione cresce con la radice quadrata del tempo — raddoppiare la profondità richiede circa quattro volte tanto tempo.

Potenziale di carbonio

L'atmosfera del forno è controllata a un potenziale di carbonio — il livello di carbonio superficiale che l'atmosfera produrrà nel ferro puro a temperatura. Viene tipicamente mantenuta leggermente al di sotto o in prossimità della regione da eutettoide a saturazione, spesso intorno a 0.8–1.0% C in superficie nella fase di spinta. Un potenziale troppo elevato forma fuliggine, reti di carburi ed eccesso di austenite residua; un potenziale troppo basso produce uno strato sottile e tenero. I cicli di produzione utilizzano spesso uno schema boost–diffuse: potenziale elevato per far penetrare rapidamente il carbonio, poi una fase a potenziale inferiore per impostare il carbonio superficiale finale e il gradiente.

Cuore e strato dopo la tempra

Dopo la cementazione, il pezzo viene temprato (direttamente, oppure dopo un riscaldo per l'affinamento del grano) e rinvenuto a bassa temperatura, circa 150–200 °C. Lo strato ad alto carbonio si trasforma in martensite dura, tipicamente intorno a 58–62 HRC in superficie. Il cuore — ancora solo circa 0.15–0.25% di carbonio — si indurisce solo fino a quanto consente la sua temprabilità, rimanendo molto più tenero e fornendo la tenacità attorno alla quale il pezzo è progettato.

Acciai progettati per la cementazione

Gli acciai da cementazione sono a basso carbonio per progetto, legati per la resistenza del cuore e la temprabilità:

• 8620 (AISI): l'acciaio per ingranaggi nordamericano di uso generale, cuore Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): l'acciaio per ingranaggi cinese standard; il titanio blocca il grano durante i lunghi cicli di cementazione.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): il cavallo di battaglia europeo per ingranaggi piccoli e medi.
• Le varianti per impieghi più severi aggiungono nichel (ad es. 18CrNiMo7-6) dove la resistenza del cuore in sezioni grandi è critica.

Specificare un pezzo cementato significa specificare insieme profondità dello strato, durezza superficiale e durezza del cuore — ciascuna da sola è un requisito incompleto.

Varianti a gas, a pacco e a bassa pressione

La tradizionale cementazione a pacco in composto di carbonio solido è ormai in gran parte storica. La produzione moderna utilizza la cementazione a gas in forni ad atmosfera, dove il potenziale di carbonio viene misurato e controllato in continuo, oppure la cementazione a bassa pressione (sotto vuoto), dove impulsi di gas idrocarburico in un forno a vuoto producono strati molto uniformi su geometrie complesse di ingranaggi senza ossidazione superficiale — tipicamente seguiti da tempra a gas ad alta pressione. La metallurgia specificata dal progettista è la stessa in tutte e tre; ciò che cambia è l'uniformità, la pulizia, l'economia del ciclo e il comportamento alla distorsione che la finitura degli ingranaggi deve assorbire.