Cementazione a bassa pressione

T.T.N. SpaDipartimento Cementazione Bassa Pressione

T.T.N. SpaTEMPRA VUOTO-BAGNI DI SALE, CEMENTAZIONI-NITRURAZIONI GASSOSE - PLASMA, RICOTTURE, BONIFICHE, BRASATURE,TEMPRE INDUZIONE, SOLUBILIZZAZIONI IN BIANCO, RICOTTURE ISOTERMICHE, INVECCHIAMENTI.

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CEMENTAZIONE A BASSA PRESSIONE

AbstractIn questo articolo viene presentato la cinetica di un impianto per cementazione a bassa pressioneoperativo presso T.T.N. di Nerviano (MI). Lo scopo spiegare come questo tipo di processo sia pivantaggioso rispetto a quello tradizionale. Nel seguente articolo sar illustrata la tecnologia elimpiantistica correlandole al processo di cementazione bassa pressione, laspetto deformazione,la cinetica di diffusione, il risultante metallurgico.

1. Introduzione

1.A

La cementazione bassa pressione nasce come sviluppo della cementazione tradizionale.A partire dalla sua posizione iniziale che risale a circa 20 anni fa, il processo ha subito enormisviluppi ed ora ha raggiunto piena maturit industriale.I principali vantaggi della cementazione bassa pressione sono:

la forte riduzione delle deformazioni da tempra rispetto al processo tradizionale; totale assenza di ossidazioni intergranulari; miglior omogeneit nella chimica di reazione e nella cinetica di reazione; la maggiore uniformit di spessore di tutti i manufatti cementati in ciascuna carica; completa ripetibilit dei risultati

1.B

Vengono elencate di seguito le principali caratteristiche dellimpianto ICBP (Impianto diCementazione a Bassa Pressione) (Fig. 1) utilizzato:

impianto unico Le celle di cementazione e di tempra sono collegate da un tunnel dove vi sempre una pressione parziale dellordine del millibar. In questo modo tutte le fasiavvengono in assoluta assenza dossigeno;

il sistema di movimentazione delle cariche completamente automatizzato; la tempra a gas ad alta pressione viene eseguita in una camera fredda; possibilit di controllare la cinetica di raffreddamento della carica durante lo spegnimento a

gas regolando la velocit delle turbine che pu essere variata da 100 a 3600rotazioni/minuto;

presenza di una cella di tempra in olio che consente di coprire una gamma pi ampiapossibile di particolari e materiali, ad esempio pezzi di dimensioni importanti per i quali si cos in grado di conservare i vantaggi della cementazione in bassa pressione coniugandoli alcontempo ad una durezza e caratteristiche meccaniche idonee alla radice del dente e a cuoredel manufatto.



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2. IMPIANTO E CINETICA DI PROCESSOT.T.N. ha scelto di dotarsi di una linea ICBP in grado di gestire compiutamente calcolo delleprofondit in funzione ai tempi ed al volume di iniezione dei gas cementanti. La stessa tipologiaimpiantistica a diversi livelli di aggiornamento operativa dal 1992 in pi di 100 stabilimenti dellemaggiori case automobilistiche mondiali dove si producono ingranaggi e componenti di sistemidiesel common rail.Tra queste le principali sono: TBI Francia PEUGEOT Francia FORD USA DELPHI - Spagna BOSCH Italia/Germania/Brasile FIAT GM POWERTRAIN - Austria GETRAG - Italia DAIMLER CHRYSLER U.S.A. TOYOTA Giappone SHU Germania LuK GermaniaLimpianto formato da tre celle di cementazione, una cella a camera fredda di tempra in gas adalta pressione (fino a 20 bar) ed una di tempra in olio.Il trasferimento delle cariche dalle cellule di trattamento termico a quelle di tempra avviene comedetto allinterno del tunnel a mezzo di una caricatrice schermata. Ci al fine di ridurre al minimo leperdite di calore per irraggiamento in vuoto . Le cariche di peso fino a 750 kg vengono poi sigillateallinterno delle cellule di tempra a tenuta stagna dove poi avviene in una limmersione in olionellaltra linsufflaggio di gas sino a 20 bar di sovra pressione.Ciascuna cella separata dal resto dellimpianto da appositi sportelli la cui apertura gestita inmodo automatico e consente alle tre celle di cementazione di lavorare in modo perfettamenteautonomo evitando cos mutui disturbi alle atmosfere specifiche. Il PLC di supervisione garantisceil perfetto sincronismo tra tutte le fasi sia di ciclo che di processo di tutte le celle.

Fig. 1 Schema dellimpianto ICBP dellECM in uso presso la T.T.N. di Nerviano (MI)



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Dopo essere stata posizionata nella cella di cementazione, la carica viene scaldata per poter essereportata alla temperatura di cementazione in vuoto.La gamma delle temperature dutilizzo di questi forni va da 700 a 1300C, ci permette di effettuareoltre a cicli di cementazione anche trattamenti di tempra su acciai da utensile, per cuscinetti,inossidabili, maraging, leghe di nichel.Una volta che la temperatura di cementazione stata raggiunta, il processo di cementazione iniziacon limmissione del gas di processo a pressioni di pochi mbar (0,1 10 mbar). Come gas diprocesso vengono utilizzati propano (C3H8) o acetilene (C2H2) che a queste pressioni e temperaturesubiscono un processo di scissione mettendo a disposizione rispettivamente il 40 60% e l80% dicarbonio disponibile. Il carbonio messo a disposizione si diffonde nei pezzi trattati senza lutilizzodi alcun altro gas di reazione e senza quindi la presenza di ossigeno responsabile della formazionedi ossidazioni intergranulari. Lassenza di strati ossidati ai giunti dei grani comporta il vantaggio diavere delle superfici a miglior resistenza al pitting o fatica da contato.A comandare questa fase un sofisticato software che in funzione del tipo di acciaio, degli spessori,della durezza e profondit di cementazione richieste e infine della superficie in cm2 da trattare,regola lafflusso di gas che viene introdotto nella cella intervallando impulsi di iniezione a periodidi diffusione nei quali il gas non viene introdotto.Terminata la fase di cementazione la caricatrice schermata preleva la carica dalla cella dicementazione e sempre nel vuoto e alla medesima pressione la porta o nella camera di spegnimentocon gas o in quella di spegnimento con olio. I pezzi cementati a bassa pressione, normalmente sitemprano con gas ad alta pressione perch questo tipo di raffreddamento permette di ridurre ledeformazioni; la presenza comunque di una camera di tempra in olio consente di coprire unagamma pi ampia possibile di particolari e materiali, ad esempio pezzi di dimensioni maggiori per iquali si cos in grado di conservare i vantaggi della cementazione in bassa pressione coniugandolaalla trasformazione martensitica a base dente e cuore del manufatto.Prima che la carica venga introdotta, nella camera di spegnimento stessa viene comunque raggiuntala medesima condizione di pressione in modo tale che non si generino depressioni nellimpianto.Solo dopo che i pezzi cementati sono stati depositati e lo sportello di collegamento con il tunnel e lecamere di cementazione chiuso, nella camera di spegnimento con gas inizia ad essere insuflatoazoto ad elevata pressione. La pressione pu essere variata fino ad arrivare a 20 bar a seconda deltipo di acciaio e della drasticit richiesta.Se la tempra invece viene eseguita nella camera a spegnimento in olio al di sopra di questo siraggiunge con azoto la pressione atmosferica.Il vantaggio di avere una camera fredda per la tempra a gas quello di poter inserire i pezzi datrattare in un ambiente che si trova gi a temperatura ambiente senza quindi avere un fattorepesantissimo di inerzia come nel caso in cui la tempra venga eseguita nel medesimo forno dove stata precedentemente eseguita la austenitizzazione. La fluidodinamica della cella di tempra a gas ottimizzata da turbine a velocit variabile che, a differenza di impianti con a velocit fisse,permettono di adattare la drasticit del mezzo temprante ottenendo velocit di spegnimento piadeguate su una vasta gamma dimensionale e/o geometrica. Il gas immesso ad elevata pressionenella cella attraverso appositi ugelli, essendo la camera fredda inizialmente a temperatura ambiente,non si scalda per effetto del calore della camera ed asporta calore solo dalla carica. La sua capacitdi asportare calore per questo enormemente superiore a parit di pressione e agitazionedellaeriforme.Il gas una volta scaldatosi viene convogliato e raffreddato in appositi scambiatori di calore e unavolta raffreddatosi viene di nuovo immesso nella cella. Il flusso di gas e regolato attraverso lavelocit delle turbine. Il vantaggio quindi di poter regolare la velocit delle turbine notevoleperch permette di controllare la maggiore o minore sottrazione del calore dalla carica e quindi in



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funzione del tipo di acciaio, di poterne controllare la sua velocit di raffreddamento con effettinotevoli sulla tempra dei pezzi e sulla diminuzione delle deformazioni.Un vantaggio non meno rilevante della presenza nellimpianto di camere a freddo quella legataalla minor necessit di manutenzione delle camere di cementazione i cui materiali di tenuta e dirivestimento (soprattutto la grafite) sarebbero viceversa sottoposti a continui shock termici e dipressione.Lo spegnimento in gas ad elevata pressione unito al raffreddamento in camera fredda assicura nonsolo una migliore qualit della superficie, anche e soprattutto un controllo ed una riduzione delledistorsioni. Ci comporta un risparmio per riduzione o annullamento dei tempi di rettifica.

Di seguito vengono presentati i valori di un tipico ciclo di trattamento a basse pressioni

Parametri Valori

Descrizione pezzo Corone lavorate da anello forgiato e ricottoMateriale 20 Ni Cr 12Temperatura di cementazione 960CTempo totale 240 minuti

Tempra usata Gas azoto a 18 bar 3600 giri/minutovelocit turbine

Temperature rinvenimento 175CTempo di rinvenimento 120 minuti

Tempra usata Gas azoto a 18 AzotoTemperature rinvenimento 175CTempo di rinvenimento 120 minuti

RisultatiDurezza superficie dopo tempra 65 HRCProfondit di cementazione (550 HV) 0,79 mmDurezza a cuore 32 HRCVariazione profondit dicementazione nel carico

0,05 mm



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3. I RISULTATI DEL PROCESSO DI CEMENTAZIONE

Vengono riportati di seguito alcuni risultati ottenuti nellimpianto di cementazione a bassa pressioneprecedentemente descritto.La figura 2 mostra una sezione di una corona conica in acciaio 16 MnCr5 sottoposta a trattamentodi cementazione a bassa pressione sulla quale sono state condotte prove di durezza sul fianco deldente e sul fondo del dente (Fig. 3).La cementazione stata effettuata a 940C e il tempo totale di cementazione e diffusione stato di155 min, mentre la tempra stata eseguita a 880C per 30 min con successivo raffreddamentoeseguito con azoto a 15 bar.

Fig. 2 Corone coniche in acciaio 16 MnCr5 sottoposta a trattamento di cementata a bassa pressione

La sezione del disegno identifica le aree critiche sottoposte alla sollecitazione da pitting, ciolevolvente e il bendig, ovvero il fondo. anche identifica lo spigolo dove stata

Fig. 3 Punti del dente nei quali stata misurata la durezza



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Fig. 4 Profilo di durezza misurata sul fianco e sul fondo del dente

Come mostra il profilo di durezza (Fig. 4), si pu osservare luniformit della cementazione sulfianco e sul fondo del dente e la profondit di cementazione a 550 HV rispettivamente per il fiancodel dente di 0,85 mm e per il fondo del dente di 0,77 mm.

Il processo di cementazione a bassa pressione con lutilizzo dellacetilene come gas di reazioneoffre anche la possibilit di cementare in modo uniforme fori passanti stretti e lunghi e, in egualmisura, fori ciechi come visibile dalla seguente figura 5Acciaio : 18CrNiMo7-6, profondit di indurimento efficace richiesta 0.7-0.9mm

Fig. 5 Profilo di durezza di alcuni punti nei fori



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Da notare come il risultato della cementazione sia per il foro passante che per quello cieco sia moltouniforme.Di seguito vengono presentati risultati di possibili applicazioni della cementazione a bassa pressionea partire da acciai tipicamente utilizzati nel processo di cementazione fino ad acciai tipicamente nonda cementazione.

Particolare Materiale Peso della caricaAlbero

scanalato 20MoCr4 340 Kg

Ciclo Temperatura TempoCementazione 960C 2 h 30

Tempra 15 bar N

Risultati DC 550 HV = 0,6 mmDurezza a

cuore320 HV30

Particolare Materiale Peso della caricaCorona 15CrNi6 250 Kg

Ciclo Temperatura TempoCementazione 940C 2 h

Tempra 20 bar N


cuore360 HV30

Pezzo Materiale Peso della caricaCorona 27MnCr5 256 Kg


Tempra 8 bar N

Risultati DC 650 HV = 0,5 0,6 mmDurezza a

cuore440 HV30



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Pezzo Materiale Peso della caricaPignone 30CrMo4 283 Kg


Tempra 15 bar N


cuore53 HRC

La cementazione a bassa pressione offre anche la possibilit di cementare materiali sinterizzati.I materiali sinterizzati che presentano una porosit residua danno luogo a difficolt nei processi dicementazione gassosa per il fatto che la grande superficie dei canali di porosit produce la cementazione completa in un tempo brevissimo. La cementazione a bassa pressione, invece, ha ilvantaggio di limitare la cementazione alla solo superficie del pezzo quando le dimensioni dei porisono molto inferiori a 100 mm. In questo caso, il rapporto lunghezza\diametro solitamente moltoinferiore a 15 e il processo di cementazione a bassa pressione non permette la cementazione diquesti piccolissimi fori ciechi, perch il gas cementante fresco non penetra nei pori. Inoltre, ibrevissimi tempi di trattamento della cementazione a bassa pressione (qualche minuto soltanto)possono essere controllati molto meglio che nella cementazione gassosa convenzionale di pezzisinterizzati.



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Esempi dimensionaliSu corone a denti dritti, con dentatura esterna ed interna, sottoposte a un ciclo di cementazione abassa pressione sono state effettuate da unazienda che progetta e costruisce ingranaggi rilievidimensionali prima e dopo il trattamento; la seguenti tabella ne riportano i dati.

Corona APrima del trattamento termico

Posizione 1 2 3misura sfere 6 140,17 140,17 140,16

Dopo trattamento termicosopra 139,77 139,79 139,69sotto 139,86 139,84 139,83

Ovalizzazione 0,1Conicita 0,14

Minorazione 0,47Corona B

Prima del trattamento termicoPosizione 1 2 3

misura sfere 6 140,04 140,00 140,06Dopo trattamento termico

sopra 139,86 139,84 139,96sotto 140,07 140,07 140,10

Ovalizzazione 0,1Conicita 0,23

Minorazione 0,18

I numeri 1,2 e 3 indicano la posizione del rilievo lungo la circonferenza interna della dentatura conuno splitting di 120; le notazioni sopra e sotto sono invece le posizione sulla lunghezzadellintero dente alle due estremit. Le misure hanno quindi consentito di testare lovalizzazione, laconicit e la minorazione, ovvero la contrazione dimensionale. I due ingranaggi sono stativolutamente posizionati nella carica con differenti geometrie corona A in verticale , corona B insenso orizzontale; ci ha contribuito a una diversit anche nella variazione dimensionale.Di norma un raffreddamento in olio pu produrre alterazioni pi consistenti, data limpossibilit diregolare con precisione la fluidodinamica dellasportazione del calore.



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Fig.6Frecce in blu: orientamento dellageometria di rilievo su sezionetrasversale.La sfera di controllo in situ nelladentatura su fondo dente

Fig.7I due punti notati in blu sono le duezone testate lungo il dente eindicate come sopra inprossimit della variazione disezione e sotto , in prossimitdel piano parallelo che funge dabase

1 2

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Componenti di sistemi diesel Common Rail -Acciai a bassa temprabilit: 100Cr6In questo paragrafo conclusivo si documenta un aspetto importante di quanto si pu ottenere conquesto tipo di impianto mettendo a confronto due casi a) e b) - con massa di carica identica.a) componente auotomotive progettato in 100Cr6 e trattato in forno sottovuoto con spegnimento a

20bar in elio, insuflaggio del gas in camera ancora in temperatura di austenitizzazioneb) medesimo componente automotive in 100Cr6 trattato nellimpianto con spegnimento in

camera fredda con azoto a 15 barLo spessore medio massimo del particolare di 16 mmSono state confrontate durezze e strutture su campioni prelevati a centro carica. Le fig.6 e 7documentano lesame dopo tempra e mettono alla luce i vantaggi impiantistici

Il confronto, oltre a mettere in evidenza la criticit nelleseguire una tempra in gas su questo acciaiogi quando le dimensioni superano i 15mm, chiarisce la risoluzione delle problematiche sfruttandole potenzialit dello scambio termico immediato nella camera fredda. Infatti, nonostante le piccoledimensioni del manufatto, le considerevole maggiori propriet dellelio nellasportare calore elelevata pressione scelta, la trasformazione strutturale non perfettamente completa; al contrariouna pressione regolarizzata camera fredda con azoto produce una morfologia martensitica totale.

500 x

Caso B65 HRCmartensite completa

Caso A64-65 HRCmartensite e isoledi bainite sparse

500 x



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Ne risulta in conclusione un estremo vantaggio per tutte quelle applicazioni dove i capitolatiindicano una trattamento sottovuoto su tutti i materiale di bassa temprabilit, non solo il 100Cr6, eche esigono complete caratteristiche strutturali e variazioni dimensionali contenute.

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