• Solubilizzazione• Cementazione• Nitrurazione• Tempra di soluzione ed invecchiamento

Coltre bianca

Nitrurazione 550°C x 18 h

G. M. La Vecchia Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Brescia

cementato

La tempra degli acciai inossidabiliaustenitici o solubilizzazione

Il trattamento ha lo scopo di evitare la messa in esercizio di pezzi che presentino carburi di cromo precipitati a bordograno (acciaio sensibilizzato) per assicurare la resistenza alla corrosione.

La tempra degli acciai inossidabiliaustenitici o solubilizzazione

Il trattamento consiste in un riscaldamento a T>1000°C con permanenza sufficiente a mandare in soluzione tutti i precipitati seguito da un raffreddamento in acqua (mezzo drastico per evitare la riprecipitazione durante il raffreddamento).

Curva rossa: acciaio C = 0,02% non sensibilizzatoC = 0,06% sensibilizzato

Trattamenti termochimici

Sfruttano il fenomeno della diffusione in fase solida al fine dimodificare la composizione chimica dello strato superficiale delle leghe e conferire loro determinate proprietà (durezza, resistenza all’usura, resistenza all’ossidazione a caldo, resistenza a fatica)

Si distinguono da quegli interventi a carico della superficie che modificano le proprietà superficiali a seguito della deposizione di uno strato di materiale (rivestimento) diverso dal metallo base (altro metallo, materiale ceramico, ecc.).Es. 1. Cromatura

2. Cromizzazione %Cr

%Cr

Rivestimenti PVD in TiN e CrN

Esempio: proprietà funzionali di un ingranaggio

Richieste funzionali:

1. Migliorare la resistenza all’usura

2. Migliorare la fatica da contatto

3. Evitare rotture per fatica

4. Garantire una buona resistenza alla corrosione

1. Scegliere il materiale e il trattamento termico in grado di incrementare la durezza superficiale (es. cementazione o nitrurazione)

2. Valutare le sollecitazioni applicate nella zona di contatto3. Curare la forma del raccordo ed evitare di avere stati

tensionali residui di trazione4. Scegliere il lubrificante corretto per la lega metallica prescelta

CementazioneObiettivo: ottenere componenti in acciaio che abbiano uno strato superficiale con elevata durezza, unitamente ad un cuore meno duro e resistente, ma tenace

Strato indurito efficace:HV = 550 dopo cementazione + tempra + distensione

550

SCostruzione del profilo di microdurezza

Campione metallograficolucidato ed attaccato

Gli acciai da cementazione hanno C < 0,2%

• per favorire la diffusione del C nell’acciaio serve:- un gradiente di concentrazione di C tra superficie – cuore- un riscaldamento in campo γ

• per garantire una elevata durezza della superficie (C≤0,8%) e un cuore tenace e resistente agli urti il pezzo cementato presenterà un profilo della concentrazione di carbonio sfruttato per assicurare la formazione di martensite in superficie

•La cementazione è influenzata anche dagli elementi di lega: • favorita da quelli che formano carburi (Cr, W, Mo)• sfavorita da quelli che formano soluzioni solide (Ni, Si, Al)

%C

Profondità di cementazione: da qualche decimo a qualche mm

Durezza max raggiungibile:~ 800 HV (dopo tempra)

sezione ingranaggio cementato profondità di cementazione 0,8 mm

Parti cementate

• Elementi di fissaggio (es. viti autofilettanti, bulloni, dadi e rondelle)

• Pezzi per l'industria automobilistica

• Sedi per cuscinetti, sfere, aghi e guide

• Utensili per tranciare

• Catene, perni e rulli

• Utensili a mano, lame per sega, cacciaviti

• Aghi da cucito e da maglia

•……….

NitrurazioneTrattamento di diffusione con azoto, su materiali ferrosi (ghise, acciai al C, acciailegati) in campo ferritico, T∈(450°C÷590°C)

Obiettivo: ottenere elevata resistenza all’usura e migliorare la resistenza a fatica, sfruttando il fenomeno di indurimento per precipitazione di nitruri o carbonitruri nello strato di diffusione

Coltre bianca

42CrMo4Nitriding

42CrMo4

Fase α: soluzione solida di azoto in Feα, con % max di azoto ~ 0,1% a T= 590 °CFase γ: soluzione solida di azoto in Feγ e caratteristiche morfologiche dell’austenite, con % max di azoto ~ 3% Fase γ’: composto interstiziale Fe4N (% azoto ~ 6%) ⇒ nitruro molto duro (~750 HB)Fase ε: soluzione solida a struttura esagonale con % max di azoto ~ 11% ⇒ nitruromolto duroFase ζ: soluzione solida a struttura esagonale Fe2N, con % di azoto ∈ (11% ÷ 11,3% ) ⇒ nitruro molto duro ma molto fragile indesideratoA 590 °C e a 2,35% di N ⇒ composto eutettoidico (braunite) molto fragile indesiderato ⇒ Tnitrurazione < 590 °C

Fe4N

% N

500

600

700

800

900

4000 2 4 6 8 10 12

Tem

pera

tura

, °C

α

γ ε

γ’ε

ζ

Fe

coltre bianca (max 35 ÷ 40 μm) se formata da nitruri complessi a cristallizzazione tetragonale o e.c. zona dei composti (max 35 ÷ 40 μm) se formata da carbonitruricomplessi a cristallizzazione tetragonale o e.c.⇒ (Fe, Al, Cr)2N o nitruri ε e corrispondenti carbonitruri complessi

strato di diffusione (0,1 ÷ 0,8 mm) indurito per precipitazione di nitruri e/o carbonitruri ⇒ soprattutto Fe4N ma anche nitruri εtendono a precipitare nella matrice metallica e/o a reagire con la cementite o i carburi presenti generando carbonitruri complessi

Strati caratteristici:

1)

2)

coltre bianca o zona dei composti

strato di diffusione

La nitrurazione viene eseguita su acciai:

• allo stato bonificato (temprati e rinvenuti)

• aventi specifici requisiti per quanto riguarda la composizione chimica ⇒ acciai legati con elementi che hanno maggiore affinità verso l’azoto del ferro (Al, V, Cr e Mo) ⇒ nitruri complessi meno fragili dei nitruri di ferro⇒ %C > 0,2 ⇒ carbonitruri meno fragili dei nitruri

Essendo l’ultimo trattamento che si effettua sul pezzo e non comportando trasformazioni di fase con elevata variazione di volume non porta a sensibili distorsioni

Vantaggi della nitrurazione rispetto alla cementazione

• durezza superficiale più elevata• durezza costante per riscaldamenti fino a ~ 500 °C (per gli strati cementati fino a ~ 200°C)

• trattamento finale, non induce ossidazione o deformazione dei pezzi • assenza pericolo ingrossamento grano nel corso del trattamento

cementazione

nitrurazione

1000800600400200

00 0,8 1,6 2spessore (mm)

HV

12001000800600400200

0 0 200 400 600 800Triscaldamento (°C)

HV

cementazione

nitrurazione

Svantaggi della nitrurazione rispetto alla cementazione

• strato indurito più sottile ⇒ minori carichi specifici sopportabili• ciclo di produzione più lungo e costoso• acciai da utilizzare più costosi per gli elementi di lega presenti

Esempi di utilizzo:• ingranaggi,cilindri oleodinamici, stampi per materie plastiche e pressocolata di leghe leggere, cilindri per la lavorazione della carta, data la buona resistenza all’usura

Proprietà di alcuni metalli puri

Al Mg Ti Cu Fe

struttura cristallina c.f.c. e.c. e.c. c.f.c. c.c.c.

massa volumica (kg/dm3) 2,70 1,74 4,51 8,96 7,87

temperatura di fusione (°C) 660 650 1670 1083 1535

conducibilità termica (W/mK) 238 156 26 387 78

coeff. di espansione termica (10-6 K-1) 23,5 26,0 6,9 17,0 12,1

modulo elastico (GPa) 70 45 120 130 211

carico di rottura (MPa) 60 190 250 220 250

Classificazione delle leghe di alluminoLeghe di alluminio

as cast trattamentotermico

leghe per getti

trattamentotermico

incrudimento

leghe da deformazione plastica

Confronto curve sollecitazione/deformazionedi diversi materiali metallici

Come cambiano le scelte quando serve la leggerezza?

Volume per unità di peso

“Indurimento” per precipitazione

• solubilizzazione ad alta temperatura (soluzione solida omogenea)• tempra in acqua fino a temperatura ambiente (sol. solida

sovrassatura)• decomposizione controllata della soluzione solida per formare

precipitati submicroscopici finemente dispersi

invecchiamento naturale (a temperatura ambiente) sigla T4invecchiamento artificiale ( > temperatura ambiente) sigla T6

Schema del ciclo termico (trattamento termico di Tempra in soluzione + invecchiamento

artificiale)

Lega Al-Cu: effetto dell’invecchiamento sulla microstruttura

Lega 6082 (Al+Mg+Si): effetto dell’invecchiamento sul carico unitario di rottura, Rm