TRATTAMENTI TERMICI SUPERFICIALI Scopo: conferire alla superficie del componente proprietà meccaniche differenti (durezza) rispetto a quelle del cuore (tenacità) Tempra superficiale Carbocementazione Nitrurazione (carbonitrurazione)

Riscaldamento rapido della superficie TEMPRA SUPERFICIALE Come funziona? Martensite Austenite Riscaldamento rapido della superficie Trasformazione ferrite → austenite Tempra Solo la zona austenitica si trasforma!!

Fiammatura (flame hardening) TEMPRA SUPERFICIALE Metodi: Fiammatura (flame hardening) Riscaldamento mediante cannelli (trattamento da 0,8 a 12 mm di spessore) Tempra superficiale per induzione (Induction hardening) Tempra superficiale Laser (Laser Hardening)

Fiammatura stazionaria (Stationary flame hardening) Pezzo in posizione fissa rispetto ai cannelli Tempra su zone limitate per immersione

Fiammatura progressiva (Progressive flame hardening) Aree da trattare troppo estese I cannelli si muovono sulla superficie Vel: 50-300 mm/min Ugello per tempra

Fiammatura rotante (Spin hardening) Per pezzi cilindrici che ruotano rispetto ai cannelli Tempra per immersione o spruzzo

FIAMMATURA ROTANTE

TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE Come funziona? Riscaldamento per induzione elettromagnetica Il componente viene posizionato in prossimità di una bobina Nella bobina circola corrente alternata ad alta frequenza (kHz) Sul componente si formano delle correnti alternate indotte Il componente si riscalda rapidamente per effetto Joule Segue tempra…

TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE Influenza della frequenza X IX Profondità del trattamento funzione dell’intensità della corrente e della frequenza di alimentazione (effetto pelle): 0.2 mm – 10 mm Frequenza (kHz) Profondità (mm) 1 4.6 ÷ 8.9 3 3.8 ÷ 5.1 10 2.5 ÷ 3.8 120 1.5 ÷ 2.5 500 1.0 ÷ 2.0 1000 0.2 ÷ 0.8 Di conseguenza anche la profondità di tempra dipende dalla frequenza

TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE

TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE

TEMPRA LASER Come funziona? Si sfrutta la radiazione laser per riscaldare la superficie del componente

CARBOCEMENTAZIONE Durezza HRC in funzione di % di carbonio Acciaio con 0.3% di C al massimo può avere una durezza 50HRC Superficie arricchita di C per poter essere indurita con trattamento di tempra Pezzo costituito da due acciai diversi (superficie e cuore)

Si parte da un acciaio a bassa%carbonio (C < 0.25%) CARBOCEMENTAZIONE Si parte da un acciaio a bassa%carbonio (C < 0.25%) Gli strati superficiali vengono arricchiti di carbonio mediante diffusione (C≈0.6% max 0.9%) % C X 0.2% C 0.6% C t4 Solo in fase austenitica (T=900-980°C): solo la struttura austenitica può solubilizzare quantità elevate di C t3 t2 t1 Si tempra normalmente Solo le zone ricche di carbonio si induriscono! > t di diffusione del C: più profondo lo strato interessato

La diffusione del carbonio negli acciai Ipotesi di partenza: Gli atomi saltano in maniera randomica in ogni direzione con velocità pari a ΓB (atomi/s) In queste condizioni il flusso (J) degli atomi dal piano 1 a quello 2 vale: Con n numero di atomi disponibili a m2

La diffusione del carbonio negli acciai Piano 2→1 Analoga ipotesi va fatta per gli atomi che dal piano 2 passano a quello 1. pertanto il numero di atomi che realmente passano dal piano 1 a quello 2 diventa:

La diffusione del carbonio negli acciai Dette C1 e C2 le concentrazioni degli atomi di B nei piani 1 e 2 queste si possono calcolare come: α = dimensioni del salto Pertanto l’equazione di prima diventa:

La diffusione del carbonio negli acciai l’equazione precedente può essere scritta nella forma: Con DB “diffusività” o “coefficiente di diffusione” Questa espressione costituisce la prima legge di Fick: La velocità di diffusione è proporzionale al gradiente della concentrazione.

La diffusione del carbonio negli acciai Dipendenza del coefficiente di diffusione dalla temperatura Numero di “posizioni vicine” Dimensione del salto z dipendente da “in quante direzioni” B può saltare; v è una costante che dipende dalla frequenza di vibrazione di B; ΔGm rappresenta l’energia necessaria a compiere il salto; exp(ΔGm/RT) rappresenta la probabilità che il salto sia efficace; R costante dei gas = 8,31 J/(mole K), oppure 1,987 cal/(mole K).

La diffusione del carbonio negli acciai sostituendo in si ottiene: Considerato che l’energia necessaria a compiere il salto ΔGm vale: con ΔHm entalpia di attivazione e ΔSm entropia di attivazione

La diffusione del carbonio negli acciai si giunge all’espressione : o ancora, in maniera semplificata con Termine dipendente dalla temperatura

La diffusione del carbonio negli acciai

CARBOCEMENTAZIONE MEZZI SOLIDI (O IN CASSETTA) Si utilizza una cassetta in acciaio al NiCr All’interno della cassetta vengono posizionati: il materiale cementante (carbone legna, attivatore, legante); i pezzi da cementare; altro materiale cementante; dopodiché si sigilla la cassetta con argilla. La cassetta viene posizionata in forno e trattata a temperature elevate (800÷900) e per un tempo adeguato in modo da permettere la diffusione del carbonio negli strati superficiali

Riempimento Cassetta Sigillatura e riscaldamento

CARBOCEMENTAZIONE MEZZI SOLIDI Il materiale cementante: Carbone di legna 80% Attivatore (Carbonato di Bario:BaCO3) 15% Legante (olio e catrame) 5% Aria intrappolata L’atmosfera cementante è prodotta dalle reazioni del carbone a T elevate: Combustione incompleta C+O2 → CO + CO2 (l’atomo di C viene assorbito dal ferro in fase austenitica) Carbonato di Bario (attivatore) accelera il processo e arricchisce l’atmosfera di CO BaCO3 + C→ BaO + 2CO (900÷950°C) Dissociazione 2CO ↔ CO2 + C Terminato il processo le cassette sono raffreddate in forno o in aria

CARBOCEMENTAZIONE MEZZI SOLIDI Caratteristiche: semplicità del processo; attrezzature poco costose; tempi di trattamento lunghi (funzione dello spessore da trattare); scarso controllo dello spessore e della % di C; tempra in momenti successivi (non adatto a tempra diretta); adatta a piccoli lotti e/o produzioni discontinue.

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI LIQUIDI Il materiale cementante è costituito da un bagno di sali fusi in cui il pezzo viene immerso dopo preriscaldo a 300-350°C: Cianuro di sodio (NaCN) Carbonato di sodio (Na2CO3) Cloruro di Sodio (NaCl) L’atmosfera cementante viene prodotta dalle reazioni: 2NaCN + O2 → 2NaNCO (T=900-950 °C) 4NaNCO → Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2N (T=780-800 °C) 2CO → CO2 + C (T=780-800 °C) Na2CO3 e NaCl vengono fatti reagire con N per permettere al solo C di diffondere (anche N diffonde conferendo durezza)

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI LIQUIDI Caratteristiche: rapido riscaldamento dei pezzi; maggiore velocità di diffusione del carbonio; assenza di ossidazione; migliore controllo dello spessore; la tempra viene effettuata immediatamente a valle del trattamento (diretta); uso di sostanze (Sali) estremamente velenose, infiammabili e/o esplosive.

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI L’atmosfera cementante (di tipo carburante) è costituito: Gas da cementazione (CO e CO2); Metano (CH4) permette una più rapida diffusione di C riducendo i tempi; Gas di città e/o propano; Miscele di idrocarburi liquidi volatili. Si aggiungono gas inerti (N2) Temperature (800 ÷ 900 °C)

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI Reazioni che si generano nell’atmosfera cementante Scissione dell’Anidride Carbonica e del Monossido di Carbonio 2 CO2 → 2 CO + O2 2 CO → C + CO2 Reazione d’equilibrio Piroscissione degli idrocarbuti CH4 → C + 2 H2 C2H6 → C+CH4+H2 2 C3H8 → 3 C +C2H6 + CH4 + 3 H2 ….

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI Caratteristiche: tempi minori di quella in cassetta; assenza di ossidazione; migliore controllo del processo; la tempra viene effettuata immediatamente a valle del trattamento.

Processo in fase solida vs in fase gassosa Processo in fase solida CARBOCEMENTAZIONE Processo in fase solida vs in fase gassosa Processo in fase solida Processo in fase gassosa

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI Distribuzione del carbonio dopo trattamento ed andamento della durezza

CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI Il processo nella pratica industriale Acciaio: C18: % C = 0.18 Riscaldamento (890 ÷ 910° C) Diffusione (890 ÷ 910 ° C) Omogeneizzazione (≈ 800° C) Tempra in olio e/o acqua

Eseguibilità dei trattamenti termochimici su Acciai Speciali da Costruzione SI Trattamento Eseguibile NO Trattamento non Eseguibile ≈ Trattamento eseguibile solo per specifiche qualità di acciaio

DIFETTI NEI TRATTAMENTI TERMICI Surriscaldo → ingrossamento del grano austenitico Bruciatura → fusione del bordo del grano. Decarburazione → diffusione esterna del carbonio. Ossidazione. Tensioni residue → Variazioni di volume Indurimento secondario. Fragilità da rinvenimento. } Presenza di austenite residua.