TRATTAMENTI SUPERFICIALI

di Luigi Mitolo

GENERALITA'
L'acciaio è una lega metallica i cui composti principali sono il ferro e il carbonio. Gli acciai propriamente detti sono quelle leghe che hanno un tenore di carbonio inferiore al 2.08%. Quelli con concentrazione maggiore, fino al 6.67%, vengono chiamati ghise.
Le proprietà meccaniche degli acciai variano al variare del tenore di carbonio. In prima approssimazione possiamo affermare che gli acciai dolci (tenore di carbonio non superiore all'1%) hanno elevata resistenza meccanica sia a trazione che a compressione, facile lavorabilità alle macchine utensili, buona malleabilità, duttilità ed un alto indice di resilienza, cioè difficilmente subiscono rotture in seguito a un urto.
All'aumentare del tenore di Carbonio, diminuiscono la resistenza meccanica e la resilienza ma aumenta notevolmente la durezza.
In meccanica ci sono pezzi che devono possedere tutte le caratteristiche sopra menzionate. Un esempio palese è l'albero a cammes che comanda l'azionamento delle valvole di aspirazione e di scarico o gli ingranaggi del cambio o ancora gli steli delle forcelle e in particolare quelle da cross la cui superficie può essere scalfita da pietre e polvere.
Infatti gli organi meccanici in questione devono avere una superficie molto dura per evitare che si usurino dopo poche ore di funzionamento ma contemporaneamente devono avere il cuore sufficientemente morbido per assorbire i forti carichi a cui sono sottoposti senza subire rotture a fatica.
Un risultato del genere si ottiene costruendo i pezzi con acciai dolci ed effettuando in seguito un trattamento termico superficiale. Tali trattamenti sono: la Tempra superficiale, la Cementazione e la Nitrurazione; vediamoli ora nei dettagli.

TEMPRA SUPERFICIALE
Consiste nel riscaldare rapidamente i pezzi da trattare in modo da fare superare la temperatura di circa 900°C solo ad un sottile strato di metallo immediatamente adiacente alla superficie e nel procedere subito dopo ad un brusco raffreddamento.
Il riscaldamento del pezzo si può effettuare in due modi:
· Fiammatura: il riscaldamento è ottenuto investendo i pezzi con una fiamma, generalmente ossiacetilenica.
· Tempra superficiale per induzione: i pezzi da temprare vengono posti all'interno di una bobina percorsa da corrente ad elevata frequenza. Le correnti indotte nel circuito secondario costituito dal pezzo di acciaio ne provocano il riscaldamento per effetto Joule.
In entrambi i casi il raffreddamento è ottenuto investendo il pezzo con un getto di acqua.

CEMENTAZIONE
La cementazione consiste di un arricchimento di carbonio della zona superficiale del pezzo. Dopo la cementazione si fa seguire sempre un trattamento di tempra.
Esistono tre tipi di cementazione: solida, liquida e gassosa.

Cementazione solida
I pezzi da cementare vengono introdotti in cassette di acciaio contenenti carbone di legna, carbonato di bario (BaCO3) e di calcio (CaCO3). Il tutto viene riscaldato per alcune ore a 900­920°C. A questa temperatura avvengono le seguenti reazioni:

CaCO₃ -> Cao + CO₂

BaCO₃ -> BaO + CO₂

La prima reazione è pressoché immediata, la seconda avviene più lentamente e garantisce la presenza di CO2 nel tempo. Questa CO2 (Anidride carbonica) reagisce con il C del legno secondo la seguente reazione nota anche con il nome di equilibrio di Boudouard :

CO₂ + C <-> 2CO

Nelle condizioni in cui si opera è molto più facile che avvenga la produzione di monossido di carbonio (CO) piuttosto che di anidride carbonica (CO ₂) e carbonio, cioè la reazione si dice spostata a destra. Al contatto del CO con la superficie del pezzo, l'equilibrio sopra scritto si sposta nuovamente a sinistra e il carbonio formatosi si scioglie e si diffonde in superficie. Il processo viene arrestato quando la concentrazione del carbonio in superficie raggiunge lo 0.8-1%.

Cementazione liquida
I pezzi da cementare vengono immersi in bagni di sali fusi quali cianuro di sodio, carbonati e cloruri alcalini e di bario.
Il cianuro di sodio reagisce con l'ossigeno dell'aria e con l'anidride carbonica (CO2) liberando ossido di carbonio che a contatto coll ferro sposta l'equilibrio visto prima verso sinistra rilasciando nel pezzo atomi da carbonio.

Cementazione gassosa
E' quella oggi più largamente diffusa e si presta soprattutto alla produzione di grande serie.
Consiste nel riscaldare i pezzi da cementare a 920-930 °C in una corrente gassosa. Questa è costituita essenzialmente da metano (CH4) che a contatto con l'anidride carbonica e l'ossigeno, libera molecole di CO. A questo punto il processo è identico ai due casi di sopra.
La cementazione gassosa ha il vantaggio di sopprimere il cementante solido che è ingombrante e fonte di sporcizia. Il vantaggio principale consiste però nella possibilità di procedere ad una tempra diretta al termine dell'operazione, senza bisogno di un ulteriore riscaldamento dei pezzi.

NITRURAZIONE
La nitrurazione provoca l'indurimento superficiale dei pezzi di acciaio attraverso l'arricchimento in azoto degli strati più esterni. L'azoto si combina con il ferro e con altri elementi presenti nell'acciaio dando luogo alla formazione di nitruri metallici (sono sali) molti duri, tra i quali predomina il Fe4N.
La nitrurazione viene effettuata investendo il pezzo con una corrente di ammoniaca a una temperatura di circa 500-520°C. A tale temperatura l'ammoniaca si dissocia secondo la seguente reazione:

NH₃ <-> N + (3/2)H₂

L'azoto ottenuto si diffonde nell'acciaio reagendo con il ferro e dando il sale menzionato prima.
Lo spessore dello strato nitrurato è minore di quello degli strati cementati, mantenendosi in genere su valori di qualche decimo di millimetro. Le durezza superficiale però è molto maggiore così come la temperatura sostenibile (600-700° C contro i 200° C di un pezzo cementato).
Con la presente pubblicazione ho ritenuto di fornire gli elementi base per comprendere le difficoltà che si incontrano quando si vuole realizzare un pezzo anche particolarmente semplice come una bronzina o un ingranaggio.
Il capitolo dei trattamenti superficiali non si esaurisce qui poiché per completarlo sarebbe doveroso parlare anche di quei processi che vengono effettuati a freddo come la pallinatura, l'incrudimento o la lucidatura. Ma argomenti così interessanti meritano uno spazio proprio all'interno della Sezione Tecnica che non tarderà a comparire.

Per comunicare con la sezione tecnica di Motoitalia inviateci una

E-Mail