Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 1.

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1 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 1 TRATTAMENTI TERMICI SUPERFICIALI Scopo: conferire alla superficie del componente proprietà meccaniche differenti (durezza) rispetto a quelle del cuore (tenacità) Tempra superficiale Carbocementazione Nitrurazione (carbonitrurazione)

2 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 2 TEMPRA SUPERFICIALE Come funziona? Riscaldamento rapido della superficie Trasformazione ferrite → austenite Tempra Solo la zona austenitica si trasforma!! Austenite Martensite

3 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 3 TEMPRA SUPERFICIALE Metodi: Fiammatura (flame hardening) Tempra superficiale per induzione (Induction hardening) Tempra superficiale Laser (Laser Hardening) Riscaldamento mediante cannelli

4 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 4 FIAMMATURA Fiammatura stazionaria (Stationary flame hardening) Pezzo in posizione fissa rispetto ai cannelli Tempra su zone limitate

5 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 5 FIAMMATURA Fiammatura progressiva (Progressive flame hardening) Aree da trattare troppo estese I cannelli si muovono sulla superficie

6 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 6 FIAMMATURA Fiammatura rotante (Spin hardening) Il pezzo cilindrico ruota rispetto ai cannelli

7 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 7 FIAMMATURA ROTANTE

8 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 8 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…

9 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 9 TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE Influenza della frequenza Di conseguenza anche la profondità di tempra dipende dalla frequenza X IXIX Frequenza (kHz)Profondità (mm) 14.6 ÷ 8.9 33.8 ÷ 5.1 102.5 ÷ 3.8 1201.5 ÷ 2.5 5001.0 ÷ 2.0 10000.2 ÷ 0.8 Profondità del trattamento funzione dell’intensità della corrente e della frequenza di alimentazione (effetto pelle): 0.2 mm – 10 mm

10 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 10 TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE

11 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 11 TEMPRA SUPERFICIALE PER INDUZIONE

12 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 12 TEMPRA LASER Come funziona? Si sfrutta la radiazione laser per riscaldare la superficie del componente

13 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 13 Durezza HRC in funzione di % di carbonio Acciaio con 0.3% di C al massimo può avere una durezza 50HRC CARBOCEMENTAZIONE Superficie arricchita di C per poter essere indurita con trattamento di tempra Pezzo costituito da due acciai diversi (superficie e cuore)

14 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 14 C CARBOCEMENTAZIONE Solo in fase austenitica (T=900-980°C): solo la struttura austenitica può solubilizzare quntità elevate di C 0.2% C 0.6% 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%) Si tempra normalmente Solo le zone ricche di carbonio si induriscono! % C X t1t1 t2t2 t3t3 t4t4 > t di diffusione del C: più profondo lo strato interessato

15 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 15 La diffusione del carbonio negli acciai Ipotesi di partenza: Gli atomi saltano in maniera randomica in ogni direzione con velocità pari a Γ B (atomi/s) In queste condizioni il flusso (J) degli atomi dal piano 1 a quello 2 vale: Con n numero di atomi disponibili a m 2

16 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 16 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:

17 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 17 La diffusione del carbonio negli acciai Dette C 1 e C 2 le concentrazioni degli atomi di B nei piani 1 e 2 queste si possono calcolare come: Pertanto l’equazione di prima diventa: α = dimensioni del salto

18 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 18 La diffusione del carbonio negli acciai l’equazione precedente può essere scritta nella forma: Con D B “diffusività” o “coefficiente di diffusione” Questa espressione costituisce la prima legge di Fick: La velocità di diffusione è proporzionale al gradiente della concentrazione.

19 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 19 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; ΔG m rappresenta l’energia necessaria a compiere il salto; exp(ΔG m /RT) rappresenta la probabilità che il salto sia efficace.

20 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 20 La diffusione del carbonio negli acciai si ottiene: sostituendo Considerato che l’energia necessaria a compiere il salto ΔG m vale: con ΔH m entalpia di attivazione e ΔS m entropia di attivazione in

21 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 21 La diffusione del carbonio negli acciai si giunge all’espressione : o ancora, in maniera semplificata con Termine dipendente dalla temperatura

22 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 22 La diffusione del carbonio negli acciai

23 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 23 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

24 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 24 Cassetta Riempimento Sigillatura e riscaldamento

25 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 25 Il materiale cementante: Carbone di legna80% Attivatore (Carbonato di Bario:BaCO 3 ) 15% Legante (olio e catrame)5% Aria intrappolata L’atmosfera cementante è prodotta dalle reazioni del carbone a T elevate: Combustione incompletaC+O 2 → CO + CO 2 (l’atomo di C viene assorbito dal ferro in fase austenitica) Carbonato di Bario accelera il processo e arricchisce l’atmosfera di CO BaCO 3 + C→ BaO + 2CO (900÷950°C) Dissociazione2CO ↔ CO 2 + C Terminato il processo le cassette sono raffreddate in forno o in aria CARBOCEMENTAZIONE MEZZI SOLIDI

26 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 26 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 MEZZI SOLIDI

27 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 27 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 (Na 2 CO 3 ) Cloruro di Sodio (NaCl) L’atmosfera cementante viene prodotta dalle reazioni: 2NaCN + O 2 → 2NaNCO(T=900-950 °C) 4NaNCO → Na 2 CO 3 + 2 NaCN + CO + 2N(T=780-800 °C) 2CO → CO 2 + C(T=780-800 °C) Na 2 CO 3 e NaCl vengono fatti reagire con N per permettere al solo C di diffondere (anche N diffonde conferendo durezza)

28 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 28 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 LIQUIDI

29 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 29 CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI L’atmosfera cementante (di tipo carburante) è costituito: Gas da cementazione (CO e CO 2 ); Metano (CH 4 ) 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 (N 2 ) Temperature (800 ÷ 900 °C)

30 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 30 CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI Reazioni che si generano nell’atmosfera cementante Scissione dell’Anidride Carbonica e del Monossido di Carbonio 2 CO 2 → 2 CO + O 2 2 CO → C + CO 2 Piroscissione degli idrocarbuti CH 4 → C + 2 H 2 C 2 H6 → C+CH 4 +H 2 2 C 3 H 8 → 3 C +C 2 H 6 + CH 4 + 3 H 2 …. Reazione d’equilibrio

31 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 31 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.

32 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 32 Processo in fase solida vs in fase gassosa CARBOCEMENTAZIONE Processo in fase solidaProcesso in fase gassosa

33 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 33 Distribuzione del carbonio dopo trattamento ed andamento della durezza CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI

34 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 34 Il processo nella pratica industriale Acciaio: C18: % C = 0.18 Riscaldamento (890 ÷ 910° C) Diffusione Diffusione (890 ÷ 910 ° C) Omogeneizzazione Omogeneizzazione (≈ 800° C) Tempra in olio e/o acqua CARBOCEMENTAZIONE CON MEZZI GASSOSI

35 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 35 SI Trattamento Eseguibile NO Trattamento non Eseguibile ≈ Trattamento eseguibile solo per specifiche qualità di acciaio Eseguibilità dei trattamenti termochimici su Acciai Speciali da Costruzione

36 Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia Meccanica Trattamenti termici superficiali 36 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. }