Che cos'è la carbocementazione: vantaggi, processo, tipologie e applicazioni

Ogni applicazione ha requisiti diversi in termini di durezza del materiale utilizzato per la realizzazione dei suoi componenti. Tuttavia, per raggiungere il livello di durezza richiesto, si esegue un processo di carbocementazione per indurire i metalli.

Esistono diversi tipi di metalli che possono richiedere un'indurimento, ottenuto attraverso il processo di carbocementazione. Se desidera sapere che cos'è la carbocementazione, consulti la guida riportata di seguito.

Che cos'è la carbocementazione?

La carbocementazione è un processo di trattamento termico che migliora le proprietà dei materiali, come la durezza, aggiungendo carbonio alla superficie del metallo. La superficie del metallo può essere carente di carbonio e, pertanto, l'apporto di carbonio è essenziale per creare uno strato duro attorno a essa.

Vantaggi della carbocementazione

La carbocementazione offre numerosi e versatili vantaggi; alcuni sono i seguenti:

• Il processo di carbocementazione è molto semplice, può essere eseguito in tempi rapidi e non richiede competenze eccessive. È inoltre compatibile con numerosi tipi di materiali, come la ghisa e l'acciaio al carbonio. È adatto a forme e design complessi.
• La carbocementazione è un processo poco costoso e, con una spesa contenuta, può conferire durezza ai componenti.
• La carbocementazione è adatta a grandi volumi, poiché è automatizzata e indurisce lotti più consistenti di prodotti.
• Offre un migliore controllo dimensionale e, anche dopo il processo di indurimento, la deformazione è trascurabile.
• Migliora la resistenza all'usura e la duttilità del pezzo in lavorazione.
• La carbocementazione conferisce ai componenti un'elevata resistenza a fatica e, pertanto, lo strato duro esterno consente al componente di sopportare carichi elevati.

Processi di carbocementazione

Il processo di carbocementazione comprende le seguenti fasi:

Aggiunta di carbonio

Nella prima fase, il componente viene pulito e poi inserito in una scatola ermeticamente sigillata contenente materiali carboniosi. Per sigillare la scatola si può utilizzare argilla refrattaria. La scatola viene quindi posta nel forno a una temperatura di 925 gradi Celsius per un periodo di circa 10 ore.

L'anidride carbonica proviene dal materiale carbonioso, che si scompone in carbonio e monossido di carbonio. Il carbonio diffonde nel componente, che viene carbocementato. Il pezzo assorbe il carbonio in strati e successivamente la scatola viene rimossa dal forno.

Trattamento termico

Il pezzo viene poi nuovamente posto nel forno per la fase di trattamento termico. Rimane nel forno per circa 15 minuti a una temperatura di 790 gradi Celsius. Ciò contribuisce a trasformare il metallo in austenite e, dopo la rimozione dal forno, il pezzo viene immerso in acqua. Questo determina un rapido raffreddamento e lo sviluppo di strutture dure.

Rinvenimento

Le sollecitazioni interne si formano a causa del rapido raffreddamento e, pertanto, è importante alleviarle mediante il rinvenimento. È possibile riscaldare il pezzo a bassa temperatura e lasciarlo raffreddare in aria dopo averlo tenuto sotto calore per un'ora.

Tipologie di carbocementazione

Esistono diverse tipologie di processi di carbocementazione, descritte di seguito.

Carbocementazione gassosa

La carbocementazione gassosa consiste nel riscaldare l'acciaio al carbonio fino alla temperatura di austenitizzazione in un'atmosfera ricca di carbonio. Utilizza un gas vettore e il componente viene posto in un forno contenente propano e metano. Si tratta di una miscela di CO2, CH4, CO, ecc.

Alla temperatura di carbocementazione, il propano si decompone sulla superficie del pezzo e il carbonio diffonde sulla superficie. La temperatura è di circa 925 gradi Celsius e il tempo necessario per la carbocementazione è di 2 ore.

Carbocementazione sotto vuoto

Il processo di carbocementazione sotto vuoto prevede l'utilizzo di un ambiente privo di ossigeno e a bassa pressione. Il processo utilizza idrocarburi, ovvero gas come il metano. L'ambiente è privo di ossigeno e la temperatura può essere aumentata se necessario. Più alta è la temperatura, maggiore è la velocità di diffusione del carbonio.

Carbocementazione liquida

La cementazione liquida è un processo utilizzato per cementare componenti in acciaio o ghisa. Questi pezzi vengono mantenuti a una temperatura superiore ad Ac1 nel sale allo stato fuso, e vengono aggiunti azoto e carbonio. La cementazione liquida utilizza cianuro, composto da azoto e carbonio.

Il componente viene mantenuto in un bagno di sale a una temperatura di circa 900 gradi Celsius, e il sale è altamente tossico. Il sale ha incorporato azoto sulla superficie del componente, rendendolo duro.

Cementazione solida (cementazione in cassetta)

La cementazione solida è un processo in cui il monossido di carbonio deriva dal composto solido, che si decompone sulla superficie del metallo in anidride carbonica e carbonio nascente. I contenitori per la cementazione sono realizzati in acciaio al carbonio rivestito di alluminio, acciaio al carbonio o leghe ferro-nichel-cromo resistenti al calore.

I componenti vengono mantenuti in una scatola sigillata con un mezzo cementante, che può essere carbone di legna o coke. Il processo utilizza la cementazione gassosa, e il monossido di carbonio si dissocia in anidride carbonica, che poi fonde il carbonio sulla superficie del pezzo. Il processo richiede da 2 a 36 ore a una temperatura da 800 a 845 gradi Celsius.

Cementazione al plasma

Il processo di cementazione al plasma utilizza la scarica a bagliore in corrente continua, che aggiunge uno strato di carbonio a un componente. La tensione in corrente continua viene applicata tra il componente e l'elettrodo, e il pezzo viene mantenuto nella camera di cementazione. Il carbonio viene poi rilasciato sotto forma di scarica al plasma.

Cementazione a gocciolamento

La cementazione a gocciolamento utilizza agenti organici, come il metanolo, aggiunti al forno di cementazione. Produce il gas che decompone i componenti e la loro superficie, lasciando uno strato duro di carbonio.

Carbonitrurazione

La carbonitrurazione viene eseguita anch'essa sull'acciaio e ha un tenore di carbonio in massa da 0,4 a 0,5 percento. Contribuisce a indurire la superficie del pezzo, e questi pezzi possono includere alberi e ingranaggi. Il processo modifica il gas in cui sono presenti metano e ammoniaca.

Cementazione e nitrurazione a confronto

La cementazione e la nitrurazione sono entrambi processi che contribuiscono a indurire l'acciaio e altri metalli. Tuttavia, l'unica differenza tra loro è il materiale utilizzato durante il processo.

La cementazione viene utilizzata per diffondere carbonio sulla superficie del metallo riscaldandolo in presenza di un materiale contenente carbonio. La nitrurazione, invece, utilizza azoto sul componente e lo espone a temperature elevate.

Applicazioni della cementazione

Il processo di cementazione trova impiego in molte applicazioni per indurire i metalli utilizzati nei componenti; alcune di queste applicazioni sono riportate di seguito:

Aerospaziale: I componenti degli aeromobili, come parti del motore e carrelli di atterraggio, richiedono elevata resistenza, che necessita di acciaio cementato.

Marittimo: Componenti come sistemi di ingranaggi e motori in officina sono realizzati con parti cementate che offrono resistenza alla corrosione e all'usura.

Automobilistico: Nel settore automobilistico vengono utilizzate parti ad alta resistenza e resistenti all'usura, come cuscinetti, ingranaggi e alberi, sottoposte a cementazione.

Agricolo: Le macchine utilizzate in agricoltura impiegano acciaio cementato, poiché necessitano di parti in grado di resistere ad ambienti severi.

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Conclusione

Il processo di cementazione presenta diverse tipologie, e ciascuna ha le proprie caratteristiche. È molto importante comprendere ogni tipo di processo di cementazione e la sua idoneità, così da poterlo scegliere in base ai requisiti della Sua applicazione.