Una nuova soluzione di cementazione a bassa pressione

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La cementazione a bassa pressione (LPC) per la tempra di ingranaggi di grandi dimensioni è un nuovo approccio a una tecnologia tradizionale. Consente di lavorare a temperatura elevate (980-1040 °C), riducendo drasticamente le tempistiche del processo.

Il trattamento di cementazione, un metodo per indurire superficialmente gli acciai, sta raggiungendo il suo centenario. Sebbene la cementazione in ambienti ricchi di carbonio (cementazione gassosa) sia stato praticato già prima del XX secolo, il processo di cementazione “moderno” va fatto risalire all’inizio nel 1920. Ora, dopo 100 anni, sono disponibili diversi metodi per fare penetrare il carbonio nelle superfici metalliche ferrose.

L’aumento della concentrazione di carbonio in superficie per diffusione è alla base dell’aumento della durezza superficiale. L’austenitizzazione è una trasformazione di fase dell’acciaio che avviene a temperature superiori a 1340 °F [725 °C] e consente di assorbire livelli più elevati di carbonio. I metodi che sfruttano l’austenitizzazione includono:
• cementazione solida;
• cementazione liquida (bagno salino);
• cementazione gassosa;
• cementazione a bassa pressione [LPC].

Tutti questi metodi inducono una trasformazione della superficie rendendola resistente all’usura lasciando però al contempo un cuore tenero e resistente. La cementazione viene solitamente eseguita mediante l’impiego di forni aventi vari design, forme e dimensioni. I forni più moderni per il trattamento termico possono lavorare in continuo, semicontinuo e a batch e possono lavorare in configurazione orizzontale, verticale o rotante.

I volumi di produzione, la geometria dei componenti, la qualità dei materiali, la varietà di geometrie e i tipi di materiale influenzano il tipo e la configurazione ottimali del forno. Il grado del materiale e le sezioni trasversali possono influenzare drasticamente il design in base all’intensità di tempra necessaria per ottenere la durezza desiderata. Poiché la cementazione viene condotta su materiali a basso tenore di carbonio, il processo di raffreddamento deve essere rapido per impedire la trasformazione del nucleo da austenite in ferrite/perlite. Gli acciai al carbonio a grado più elevato, in genere, non richiedono un processo di raffreddamento aggressivo e possono essere utilizzati mezzi di tempra più “lenti”.

Le profondità di cementazione variano drasticamente a seconda delle dimensioni del componente e dei parametri di processo. La profondità di cementazione richiesta influisce direttamente sulla durata necessaria per un dato livello di aumento del carbonio in superficie. Più profonda è la profondità di cementazione desiderata, più lunga sarà la fase di diffusione. Quando sono richieste profondità elevate, si rendono necessari tempi di processo significativi a temperature molto elevate 1700 °F [925 C]. Ad esempio, per una profondità di 0,08” [20 mm] sono richieste circa 12 ore, mentre per 0,15” [3,8 mm], circa 36 ore. Quando si cementa a temperature più basse, la diffusione del carbonio avviene molto più lentamente e può richiedere fino al doppio del tempo. In generale, quando sono richiesti piccoli volumi di lavoro e masse ridotte, vengono utilizzati forni orizzontali.

Con componenti di grandi dimensioni e peso, la configurazione diventa il metodo preferito per il trattamento termico. Poiché questi componenti di grandi dimensioni tendono ad essere piuttosto pesanti, la movimentazione del materiale richiede una gru a ponte. Vale anche la pena notare come confrontando il volume di lavoro di un forno orizzontale con un forno a pozzo, il forno a pozzo sarà meno costoso da produrre oltre ad avere la capacità di gestire una maggiore massa per volume di lavoro. I focolari dei forni a pozzo possono gestire masse molto maggiori dato che vengono caricati tramite un sistema di gru a ponte.

Quando la produzione richiede la cementazione su componenti di grandi dimensioni, la configurazione del forno migliore sarà quella a pozzo. I componenti lunghi necessitano, in genere, di un sistema di supporto durante il trattamento termico, in modo da evitare cedimenti e deformazioni sotto il proprio peso. I componenti lunghi possono essere grandi e ingombranti (con piccoli carichi di volume) o di piccolo diametro (con grandi carichi di volume). È comune che i componenti di grandi dimensioni vogliano profondità di cementazione elevate, ciò significa che i componenti dovranno rimanere nel forno per lunghi periodi mantenendo il forno occupato e non in grado di trattare ulteriori componenti. Considerando che le profondità elevate su componenti di grandi dimensioni tengono occupato il forno per lunghi periodi, i produttori sono spinti a trattare termicamente
il maggior numero possibile di componenti nella stessa infornata. I forni dovranno gestire carichi sempre maggiori.

Metodi di cementazione

Cementazione solida

La cementazione solida è una delle forme più diffuse di cementazione. L’aggiunta di carbonio a un componente in acciaio avviene tramite la decomposizione di un composto solido all’interno di uno spazio, come illustrato nella Figura 1. La cementazione solida è caratterizzata da temperature più elevate rispetto a quelle della cementazione gassosa e liquida. Il processo risulta molto impegnativo da controllare, produce risultati non ripetibili, richiede un trattamento del nucleo (a causa di grani grandi e raffreddamento lento) e un trattamento successivo delle superfici. Pertanto, la cementazione solida non è comunemente impiegata proprio a causa della sua onerosità a livello di manodopera, della mancanza di controllo del processo e dei problemi ambientali, lasciando spazio a metodi di cementazione alternativi.

Cementazione liquida

Nella cementazione liquida, i componenti in acciaio vengono immersi in un bagno di sali fusi e mantenuti a temperature superiori all’intervallo di trasformazione austenitica. Il bagno
di sali è costituito da cianuro di sodio (la fonte di carbonio), cloruro di bario e cloruro di sodio. La decomposizione di questi sali ad alte temperature fa sì abbia rilascio di carbonio vicino alla superficie dell’acciaio austenizzato e che si diffonda all’interno dell’acciaio. Si noti inoltre come anche l’azoto, a volte, possa diffondersi nella superficie. Il riscaldamento del bagno salino arriva a temperature nell’intervallo 1560-1650 °F [850-900 °C] per cementazioni poco profonde e 1650-1750 °F [900-950 °C] per trattamenti profondi.

I bagni di sale forniscono un eccellente controllo della temperatura, un rapido trasferimento di calore e consentono la tempra diretta dopo la cementazione.

La Figura 2 illustra una configurazione tipica di forno a bagno di sale riscaldato elettricamente. La cementazione a bagno salino, come la cementazione solida, non risulta essere un metodo di cementazione comunemente applicato a livello industriale a causa delle problematiche legate al bagno di sali. A temperature più elevate, la degradazione del bagno salino e dei componenti del forno avviene a velocità accelerate che richiedono
un rifornimento massiccio di sali e la manutenzione costante del forno. A causa della decomposizione del sale, si forma un “fango” che richiede una costante rimozione e ricarica della composizione salina. Dopo la tempra e a causa dei sali residui che aderiscono al componente, sono necessari dei lavaggi. Pertanto, la cementazione liquida non è raccomandata per componenti che presentano caratteristiche geometriche complesse quali filettature, fessure e/o piccoli fori. Inoltre, il sale residuo rimasto su un componente contaminerà i mezzi di tempra.

Cementazione gassosa

La cementazione a gas, sviluppata a partire dal 1950, è diventata la tecnica preferenziale a causa dell’aleatorietà dei risultati della cementazione solida e e dei problemi associati alla cementazione liquida. Attualmente la cementazione gassosa è il tipo di cementazione più utilizzato nell’industria. Per questo viene utilizzata un’ampia varietà di forni convenzionali, tra cui quelli a pozzo, a box, continui e rotanti, per la cementazione a gas e, come in qualsiasi processo di trattamento termico, la scelta corretta del design del forno dipende in gran parte dalla geometria dei componenti, dalla produzione e dal flusso di produzione. Le Figure da 3 a 6 mostrano i tipi di forno ad atmosfera attrezzati per la cementazione.

Nella cementazione a gas, la fonte di carbonio, tipicamente gas naturale (o propano), composto in gran parte da metano, viene introdotta nel forno attraverso un gas inerte come l’azoto (vettore). Le fonti di carbonio e azoto sono monitorate e miscelate all’esterno del forno in sistemi di generatori endotermici in cui i gas passano attraverso una zona riscaldata contenente un catalizzatore (Figura 7 e Figura 8). Quando il gas miscelato lascia il miscelatore, viene rapidamente raffreddato per impedire la riformazione del carbonio e inviato al forno in modo tale che il carbonio possa poi diffondersi nell’acciaio [3].

Rispetto alla cementazione solida e liquida, la cementazione gassosa e il suo potenziale di carbonio consentono di ottenere trattamenti più profondi e a maggiore contenuto di carbonio. Tutto questo in tempi minori.

Il potenziale di carbonio di un’atmosfera (nel forno) ad una temperatura specificata è definito come il contenuto di carbonio del ferro puro che è in equilibrio termodinamico con l’atmosfera. Il potenziale di carbonio per l’atmosfera del forno deve essere maggiore del potenziale di carbonio per la superficie dei pezzi in lavorazione così che la cementazione avvenga in modo spontaneo. È la differenza nel potenziale di carbonio che fornisce la forza motrice per il trasferimento del carbonio alle parti” [1]. Ciò è dovuto al fatto che il potenziale di carbonio dell’ambiente gassoso del forno è superiore a quello dell’acciaio e quando la temperatura del pezzo raggiunge i 1700 °F [925 °C], la superficie dell’acciaio diventa altamente attiva e consente al carbonio in eccesso nell’atmosfera di diffondersi nel componente. L’aumento della temperatura influisce drasticamente sul tasso di diffusione del carbonio nella fase austenitica; ad esempio, un trattamento a 1700 °F [925 °C] è circa il 40% più veloce rispetto ad un trattamento a 1600 °F [870 °C].

Svantaggi della cementazione gassosa

1700 °F [925 °C] sembrano essere la temperatura di cementazione ottimale a causa delle caratteristiche costruttive dei forni; temperature più elevate genererebbero un eccessivo deterioramento, specialmente nei materiali isolanti. A causa della limitazione a 1700 °F [925 °C], non esiste un modo significativo per accelerare il tasso di diffusione del carbonio in austenite oltre un certo valore. Nei suoi primi anni, la cementazione gassosa si è rivelata un processo difficilmente controllabile, in quanto si basava sull’operato di personale che rimuoveva manualmente il materiale dall’interno del forno, pesandolo mentre il processo continuava, così da valutare quanto carbonio fosse stato assorbito. Ciò chiaramente si traduceva in una profondità di trattamento molto variabile. Questa aleatorietà e la richiesta da parte delle industrie di risultati più precisi e affidabili hanno portato all’introduzione del processo di monitoraggio dell’atmosfera tramite sonde. La sonda a ossigeno ha dato
al forno la capacità di misurare il contenuto di ossigeno residuo all’interno dell’atmosfera da cui era poi possibile identificare il potenziale di carbonio dell’atmosfera [5]. Tuttavia, il controllo del potenziale di carbonio per un dato processo di cementazione era e rimane complesso. Sono necessari più sistemi (Figura 8) per avere il corretto controllo dell’atmosfera e del punto di rugiada. Il vapore acqueo nell’atmosfera del forno ha un impatto diretto sul potenziale di carbonio. Il controllo del punto di rugiada è fondamentale
per una cementazione efficace. Il catalizzatore all’interno del generatore endotermico si esaurisce nel tempo, richiedendo il monitoraggio e la sostituzione quando la reazione non è più sufficiente. Un eccessivo livello di fuliggine all’interno del catalizzatore influenzerà le sue prestazioni e richiederà un burnout. Quando un forno è rimasto inattivo per un lungo periodo o ha completato un burnout per la rimozione della fuliggine, la quantità
di nuovo gas necessaria per tornare a un dato potenziale di carbonio è molto elevata di quanto ci si potrebbe aspettare. Con il passare del tempo (in genere 12-24 ore) la quantità di gas arricchente necessaria per mantenere il potenziale di carbonio diminuisce a un valore di regime. Questo è un processo chiamato “condizionamento della fornace” ed è il momento in cui il carbonio va ad accumularsi nelle zone a bassa temperatura quali le fessure tra i mattoni. Tuttavia, mentre il forno continua a funzionare, ci sono alcune zone in cui la fuliggine continuerà a depositarsi e nel tempo ciò avrà un impatto sulla capacità
di cementazione del forno [1]. Le atmosfere di cementazione sono altamente tossiche ed altamente infiammabili e, quando mescolate con l’aria, formano miscele di gas esplosive.

Un programma di sicurezza che enfatizzi la formazione degli operatori del forno e la manutenzione preventiva dovrebbe essere stabilito e rispettato per tutte le operazioni di trattamento termico che utilizzano atmosfere controllate. Il gas atmosferico scaricato dal forno nell’ambiente operativo deve essere bruciato così da garantire che il monossido di carbonio velenoso venga convertito in anidride carbonica. Le fiamme hanno bisogno di essere sempre mantenute accese ogni volta che una porta del forno [1] si apre.

L’ossidazione intergranulare (IGO) avviene quando l’acciaio è esposto agli atomi di ossigeno a temperature elevate. L’ossigeno presente deriva dalla decomposizione del gas di processo
e si diffonde lentamente a bordo grano. Questa diffusione dell’ossigeno si combina quindi chimicamente con gli elementi esistenti favorendo reazioni chimiche. L’IGO si manifesta come fessurazioni microscopiche della superficie fino a circa 0,006“ di profondità. A volte questa profondità può arrivare a valori molto maggiori a causa del tempo di cementazione, della temperatura e della composizione del gas. Nei forni ad atmosfera, la formazione di IGO non è prevenibile e la sua rimozione deve essere effettuata tramite rettifica, lucidatura o altro processo meccanico adatto. L’unico altro modo per eliminare l’IGO è fare il trattamento termico all’interno di un ambiente privo di ossigeno come nel caso della cementazione a bassa pressione (LPC). In questo caso, un forno sottovuoto rimuove l’ossigeno presente all’interno della camera tramite un sistema di pompaggio a monte del riscaldamento. Nonostante la capacità monitorare la temperatura e la composizione del gas sia migliorata, si hanno ancora numerose limitazioni, tra cui l’apparecchiatura del forno stesso, la necessità di operazioni pericolose, profondità spesso poco controllabili e formazione di IGO. La cementazione LPC è nata nel momento in cui si è cercato un metodo migliorativo dei processi standard.

 

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