Trattamenti di indurimento superficiale degli acciai

Mattymecc

Utente standard
Professione: studente
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Regione: Emilia Romagna
Buongiorno a tutti, avrei un paio di domande da porvi in merito ai trattamenti termici degli acciai. In questo periodo a scuola li sto affrontando, ma rispetto a quello che sapevo da prima ho notato diverse discrepanze nella descrizione di alcuni trattamenti:
1) nella nitrurazione ci è stato detto che i pezzi sono bonificati DOPO l'arricchimento superficiale di azoto, io sapevo che fosse il contrario dato che a 500°C non si hanno distorsioni del pezzo e la microstruttura non subisce modifiche;
2) i trattamenti termici che seguono la cementazione: pensavo in un precedente post di essermi chiarito le idee, ma mi sono puntualmente smentito. Ci è stato detto che dopo l'arricchimento superficiale di carbonio, si esegue una tempra doppia (una tempra ad Ac3 del cuore + tempra ad Ac1 dello strato arricchito superficiale) o una tempra singola (a una temperatura a metà strada fra le due precedenti), allo scopo di avere martensite in tutto il pezzo. A questi trattamenti segue un rinvenimento a 150-250°C.

Facendo un rinvenimento a temperature così basse non si hanno sia il cuore che la superficie duri e fragili? Il cuore del pezzo sarà molto poco tenace o sbaglio?

Come mi era stato detto in altre discussioni non è più logico fare così?:
1) tempra su tutto il pezzo a temperatura Ac3 del cuore;
2) rinvenimento a circa 550-650°C per avere il cuore del pezzo tenace
3) tempra superficiale per induzione o fiammatura dello strato cementato;
4) distensione a 150-250°C per diminuire le tensioni interne senza pregiudicare la durezza raggiunta dallo strato cementato dopo la tempra.

Un esempio che mi sembra abbastanza adeguato è quello di un albero-pignone in acciaio da cementazione: se si seguisse il metodo che mi è stato spiegato a scuola si avrebbe oltre che la superficie dei denti anche il cuore dell'albero duro e poco tenace. Con l'altro metodo non sarebbe migliore la tenacità del pezzo?

Grazie in anticipo a chi mi risponderà.
 

meccanicamg

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Per quanto riguarda il trattamento di nitrurazione si ha quanto indicato in questa guida:
Screenshot_20210308_233942.jpg
E comunque essendo un trattamento superficiale, occorre prima bonificare il cuore per poi nitrurare i pochi decimi di millimetro superficiale. Questo è praticamente l'esempio classico degli ingranaggi con base e nucleo bonificati per resistere a flessione e superficialmente nitrurati per resistere ad usura.

Per gli acciai da cementazione occorre prima atomizzare lo strato esterno con il carbonio cementando in sali o gas e poi per forza di cose occorre temprare due volte per avere i carburi fini sullo strato esterno e indurire il cuore. Successivamente si fa il rinvenimento per dare stabilità ai composti e affinare i grani nonché dare un struttura più tenace. Più rinvieni a bassa temperatura e più duro rimane il materiale.
 

Mattymecc

Utente standard
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Grazie per la risposta, per la nitrurazione è come pensavo, ma riguardo alla cementazione dopo rinvenimento si tempra a induzione o si lascia così lo strato superficiale? Se ad esempio rinvengo a 600° lo strato cementato perde molto la durezza, non conviene ri-temprarlo a induzione? Grazie di nuovo.
 

meccanicamg

Utente Senior
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Regione: Lombardia
Solitamente la tempra è totale e viene fatta in olio. Praticamente mai viene fatta una tempra localizzata ad induzione. Altrimenti non esisterebbe il processo di cementazione e tempra.
 

Mattymecc

Utente standard
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Grazie per la spiegazione, di solito con questi trattamenti a che temperatura si rinviene 250-300°?
 

PIETRO2002

Utente Junior
Professione: PROGETTISTA MECCANICO
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Regione: LOMBARDIA
Per il trattamento di cementazione si arricchisce di carbonio solo la parte superficiale, il cuore avendo basso tenore di carbonio non riesce ad assumere durezze importanti e quindi non si "tempra". Nel trattamento di cementazione non si fa il rinvenimento ma si fa la distensione sui 150 / 200 ° C
 

PIETRO2002

Utente Junior
Professione: PROGETTISTA MECCANICO
Software: INVENTOR
Regione: LOMBARDIA
Grazie per la risposta, per la nitrurazione è come pensavo, ma riguardo alla cementazione dopo rinvenimento si tempra a induzione o si lascia così lo strato superficiale? Se ad esempio rinvengo a 600° lo strato cementato perde molto la durezza, non conviene ri-temprarlo a induzione? Grazie di nuovo.
il trattamento si fa su acciai che hanno una percentuale di carbonio circa max 0.25 %.
I pezzi vengono messi in forno, dove in atmosfera controllata, vengono arricchiti di carbonio nella parte superficiale, il tempo e' definito da diversi fattori, profondita' di cementazione richiesta, dimensione dei pezzi, materiale da trattare ecc. ecc.
Dopo l'arricchimento di carbonio, i pezzi vengono portati all'opportuna temperatura di tempra e vengono raffreddati normalmente in bagno d'olio.
Alla fine vengono messi nel forno per la distensione, altrimenti la superficie resterebbe troppo fragile.
Poi in base alla tipologia dei pezzi, siccome il trattamento induce delle deformazioni, si procede alle eventuali operazioni di rettifica.
I pezzi cementati non li ho mai visti temprati ad induzione, magari qualcuno con piu' esperienza puo' smentirmi. :)
 

IronMike87

Utente Junior
Professione: Ufficio Tecnologie
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Regione: Lombardia
Di amenità e bestialità ne ho viste fare parecchie ...
Ho visto pezzi temprati successivamente nitrurati, come anche pezzi cementati successivamente nitrurati con nitrurazione morbida ... ma vabbè, queste sono disfunzioni di gente che vuole reinventare la ruota.


Se dobbiamo orchestrare un ciclo "standard" per un pezzo nitrurato:

Normalizzazione + Bonifica
Normalizzazione: preriscaldo - Austenizzazione 900°C - raffreddamento in aria
Bonifica: preriscaldo - Austenizzazione 870°C - Tempra in olio a 60°C - raffreddamento in aria
Rinvenimento: > 570÷600°C - raffreddamento in aria

Stabilizzazione - Eventuali trattamenti per rilasciare tensioni accumulate durante le fasi di lavorazione meccanica
Sempre inferiore alla temperatura di rinvenimento: ad esempio 550°C

Nitrurazione Gassosa
Salita in temperatura - Mantenimento ca. 500°C - Raffreddamento

oppure

Nitrurazione Morbida in Bagno di Sali
Salita in temperatura - Permanenza in bagno di sale 550÷570°C - Neutralizzazione in bagno di sali

Poi attenzione, che le variazioni sul tema sono "infinite". Per quel che so, ad esempio, alcuni produttori di stampi per stampaggio a caldo, dopo Bonifica eseguono 3 fasi di rinvenimento, a 3 temperature differenziate, con l'ultima criogenica, per affinare il più possibile la dimensione del grano, e successivamente nitrurano il tutto.



Per quanto riguarda la Cementazione, si parla sempre di Cementazione+Tempra+Rinvenimento per quel che riguarda il trattamento termico in forno.
Lo standard è lo spegnimento in olio, principalmente perché lo spegnimento in bagno di sali comporta costi di gestione molto elevati per il trattamento della soluzione esausta degli stessi. Di certo, uno spegnimento in bagno di sali, contiene le deformazioni dei pezzi e migliora la qualità del grano. Consideriamo che la Cementazione è un trattamento sempre molto invadente ... ho visto materiali allungarsi anche di 2mm su di 1m

La tempra ovviamente può essere fatta per induzione, ma parliamo di un processo completamente diverso, cosiddetto speciale, su impianti dal costo considerevole.
Avviene riscaldando molto velocemente (per induzione appunto) una zona del pezzo, e "spegnendola" subito dopo in una soluzione di acqua a polimeri: AQUA-QUENCH. Il polimero diventa insolubile superata una certa temperatura, mentre torna completamente miscibile al di sotto della stessa.
Gli impianti più evoluti, dopo questa fase di tempra, sono in grado di eseguire la fase di rinvenimento sempre nella stessa stazione, riscaldando a temperatura molto più inferiore la zona precedentemente temprata.
Diversamente è opportuno trattare i pezzi, T<200°C per circa 2h, per rimuovere le tensioni accumulate.
 

Mattymecc

Utente standard
Professione: studente
Software: Autocad/Inventor
Regione: Emilia Romagna
Grazie a entrambi per avermi chiarito le idee su questi due trattamenti, avrei però un paio di cose da chiedrvi:

il cuore avendo basso tenore di carbonio non riesce ad assumere durezze importanti e quindi non si "tempra"
Questo mi sembra vero per acciai come il C10, ma se sono legati come il 16NiCr11 si tempra anche il cuore o mi sbaglio?

Per quanto riguarda la Cementazione, si parla sempre di Cementazione+Tempra+Rinvenimento per quel che riguarda il trattamento termico in forno.
Il rinvenimento di cui parli qui è effettuato a quali temperature? Più basse di quelle usate nella bonifica, che come hai detto tu si aggirano sui 570-60°?
 

PIETRO2002

Utente Junior
Professione: PROGETTISTA MECCANICO
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Grazie a entrambi per avermi chiarito le idee su questi due trattamenti, avrei però un paio di cose da chiedrvi:



Questo mi sembra vero per acciai come il C10, ma se sono legati come il 16NiCr11 si tempra anche il cuore o mi sbaglio?



Il rinvenimento di cui parli qui è effettuato a quali temperature? Più basse di quelle usate nella bonifica, che come hai detto tu si aggirano sui 570-60°?
Con acciai legati, con aggiunta di Cr e Ni si aumenta la temprabilita', ma lo scopo di un pezzo cementato e' di avere una buona tenacita' a cuore ed elevata durezza in superficie, logicamente gli acciai legati sono migliori di un C10. La durezza ottenibile comunque dipende dalla percentuale di Carbonio.
Per quanto riguarda la cementazione secondo me la giusta definizione e' Cementazione+Tempra+distensione.
Un pezzo cementato non e' mai rinvenuto come intendi tu a temperature 570/600 °C ma viene disteso a temperature da 150 a 200 °C.
Il rinvenimento viene fatto su acciai temprati da bonifica o acciai da utensili.
Alla base di tutti i trattamenti termici vi e' la comprensione del "diagramma di stato ferro carbonio e le relative curve TTT". Un bellissimo libro, secondo me, e' quello pubblicato da Leno Matteoli, pubblicato da Associazione Italiana di metallurgia.
Il titolo e' il mio virgolettato.
 

Mattymecc

Utente standard
Professione: studente
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Grazie di nuovo a tutti e due per le spiegazioni, ora mi è un po' più chiaro questo trattamento termico.

Molto interessante anche il discorso dell'acquaquench, non ne avevo mai sentito parlare.
IronMike87 scusa se lo scrivo solo ora ma prima ero in viaggio e mi ero scordato...
 

meccanicamg

Utente Senior
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Regione: Lombardia
Con acciai legati, con aggiunta di Cr e Ni si aumenta la temprabilita', ma lo scopo di un pezzo cementato e' di avere una buona tenacita' a cuore ed elevata durezza in superficie, logicamente gli acciai legati sono migliori di un C10. La durezza ottenibile comunque dipende dalla percentuale di Carbonio.
Per quanto riguarda la cementazione secondo me la giusta definizione e' Cementazione+Tempra+distensione.
Un pezzo cementato non e' mai rinvenuto come intendi tu a temperature 570/600 °C ma viene disteso a temperature da 150 a 200 °C.
Il rinvenimento viene fatto su acciai temprati da bonifica o acciai da utensili.
Alla base di tutti i trattamenti termici vi e' la comprensione del "diagramma di stato ferro carbonio e le relative curve TTT". Un bellissimo libro, secondo me, e' quello pubblicato da Leno Matteoli, pubblicato da Associazione Italiana di metallurgia.
Il titolo e' il mio virgolettato.
Però purtroppo in letteratura si trova spesso la definizione di rinvenimento al posto di distensione perché la chiamano "rinvenimento a bassa temperatura" che di per sé è corretta la definizione perché rinvieni cioè riscaldi per addolcire, affinare, distendere ecc. L'importante è la temperatura.
 

PIETRO2002

Utente Junior
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Però purtroppo in letteratura si trova spesso la definizione di rinvenimento al posto di distensione perché la chiamano "rinvenimento a bassa temperatura" che di per sé è corretta la definizione perché rinvieni cioè riscaldi per addolcire, affinare, distendere ecc. L'importante è la temperatura.
Per esattezza allego copia pagina di un libro di metallurgia.
 

Allegati

PIETRO2002

Utente Junior
Professione: PROGETTISTA MECCANICO
Software: INVENTOR
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Però purtroppo in letteratura si trova spesso la definizione di rinvenimento al posto di distensione perché la chiamano "rinvenimento a bassa temperatura" che di per sé è corretta la definizione perché rinvieni cioè riscaldi per addolcire, affinare, distendere ecc. L'importante è la temperatura.
Su un testo scolastico ho trovato anche la definizione: Rinvenimento di distensione.
 

IronMike87

Utente Junior
Professione: Ufficio Tecnologie
Software: Solidworks 2017
Regione: Lombardia
Con acciai legati, con aggiunta di Cr e Ni si aumenta la temprabilita', ma lo scopo di un pezzo cementato e' di avere una buona tenacita' a cuore ed elevata durezza in superficie, logicamente gli acciai legati sono migliori di un C10. La durezza ottenibile comunque dipende dalla percentuale di Carbonio.
Per quanto riguarda la cementazione secondo me la giusta definizione e' Cementazione+Tempra+distensione.
Un pezzo cementato non e' mai rinvenuto come intendi tu a temperature 570/600 °C ma viene disteso a temperature da 150 a 200 °C.
Il rinvenimento viene fatto su acciai temprati da bonifica o acciai da utensili.
Alla base di tutti i trattamenti termici vi e' la comprensione del "diagramma di stato ferro carbonio e le relative curve TTT". Un bellissimo libro, secondo me, e' quello pubblicato da Leno Matteoli, pubblicato da Associazione Italiana di metallurgia.
Il titolo e' il mio virgolettato.
Diciamo che concordo a livello teorico, ma a livello pratico e lavorativo, sono più le volte che ho sentito l'acronimo CTR che quella CTD.
Diciamo che se si usasse l'inglese (per una volta mi piego alla lingua di albione) ed usassimo "case-hardening" ci toglieremmo d'impiccio

Comunque mi ha già ninjato la risposta meccanicamg 🤷‍♂️


Grazie di nuovo a tutti e due per le spiegazioni, ora mi è un po' più chiaro questo trattamento termico.

Molto interessante anche il discorso dell'acquaquench, non ne avevo mai sentito parlare.
IronMike87 scusa se lo scrivo solo ora ma prima ero in viaggio e mi ero scordato...
I polymer-quench (perché l'aqua-quench a tutti gli effetti è un brand) fungono semplicemente da vettori di scarico del calore.
È ovvio che potrei temprare banalmente in acqua come facevano gli antichi, ma è altrettanto ovvio che questo comporterebbe: evaporazione di parte dell'acqua (con fumi non proprio salubri) e riscaldamento dell'acqua stessa. Considerando che la tempra ad induzione è un trattamento termico speciale che si adotta in caso di grandi produzioni di massa con alti volumi, si capisce che non è il massimo. Questo senza mettere in conto possibili problemi di corrosione dei pezzi trattati.

Detto ciò, immettendo un pezzo riscaldato nella miscela acqua+polimero avviene questo:
si formerà una coltre di vapore acqueo intorno al pezzo quando questo viene spento, come in qualsiasi altro mezzo. Quando la temperatura dell'acciaio cala scende e il polimero si riscalda, ed inizia la fase di ebollizione. A questo punto, lo strato polimerico viene interrotto permettendo al pezzo di entrare in contatto con una concentrazione più ricca di acqua. Dopo che la temperatura del metallo è scesa al di sotto del punto di ebollizione, parte del liquido intorno al pezzo può essere ancora sopra il punto di nuvola, comportando la presenza di uno strato limite (film) ad alta viscosità che permette il trasferimento di calore per convezione.

Questi limiti sono estremamente viscosi (e parecchio rognosi da pulire!!!): questa viscosità impatta direttamente la velocità di raffreddamento.
Più alta è la concentrazione, più lento è il raffreddamento a causa della viscosità e dello spessore del film. Infatti più il film è spesso, più sarà difficile da rompere, permettendo al pezzo di raffreddarsi per una frazione di secondo in più prima che l'acqua colpisca il pezzo = profondità e durezze di tempre differenti


Tutti gli impianti di tempra induzione usano polymer-quench per il raffreddamento.

Qualche videuzzo:


Qui sotto trovi il video di un impianto della madonna (ad occhio >1.5mln): prima stazione di tempra, seconda stazione di distensione.
 

PIETRO2002

Utente Junior
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Regione: LOMBARDIA
Diciamo che concordo a livello teorico, ma a livello pratico e lavorativo, sono più le volte che ho sentito l'acronimo CTR che quella CTD.
Diciamo che se si usasse l'inglese (per una volta mi piego alla lingua di albione) ed usassimo "case-hardening" ci toglieremmo d'impiccio

Comunque mi ha già ninjato la risposta meccanicamg 🤷‍♂️



I polymer-quench (perché l'aqua-quench a tutti gli effetti è un brand) fungono semplicemente da vettori di scarico del calore.
È ovvio che potrei temprare banalmente in acqua come facevano gli antichi, ma è altrettanto ovvio che questo comporterebbe: evaporazione di parte dell'acqua (con fumi non proprio salubri) e riscaldamento dell'acqua stessa. Considerando che la tempra ad induzione è un trattamento termico speciale che si adotta in caso di grandi produzioni di massa con alti volumi, si capisce che non è il massimo. Questo senza mettere in conto possibili problemi di corrosione dei pezzi trattati.

Detto ciò, immettendo un pezzo riscaldato nella miscela acqua+polimero avviene questo:
si formerà una coltre di vapore acqueo intorno al pezzo quando questo viene spento, come in qualsiasi altro mezzo. Quando la temperatura dell'acciaio cala scende e il polimero si riscalda, ed inizia la fase di ebollizione. A questo punto, lo strato polimerico viene interrotto permettendo al pezzo di entrare in contatto con una concentrazione più ricca di acqua. Dopo che la temperatura del metallo è scesa al di sotto del punto di ebollizione, parte del liquido intorno al pezzo può essere ancora sopra il punto di nuvola, comportando la presenza di uno strato limite (film) ad alta viscosità che permette il trasferimento di calore per convezione.

Questi limiti sono estremamente viscosi (e parecchio rognosi da pulire!!!): questa viscosità impatta direttamente la velocità di raffreddamento.
Più alta è la concentrazione, più lento è il raffreddamento a causa della viscosità e dello spessore del film. Infatti più il film è spesso, più sarà difficile da rompere, permettendo al pezzo di raffreddarsi per una frazione di secondo in più prima che l'acqua colpisca il pezzo = profondità e durezze di tempre differenti


Tutti gli impianti di tempra induzione usano polymer-quench per il raffreddamento.

Qualche videuzzo:


Qui sotto trovi il video di un impianto della madonna (ad occhio >1.5mln): prima stazione di tempra, seconda stazione di distensione.
Non e' per essere ostinato, ma i libri mica li ho scritti io, ho postato una copia di una pagina trovata su un famoso libro di metallurgia, attendo una copia dove vedo citata la vostra definizione! Possibilmente in italiano e non in inglese! Grazie
 

IronMike87

Utente Junior
Professione: Ufficio Tecnologie
Software: Solidworks 2017
Regione: Lombardia
Lungi da me voler fare polemica. Volevo solo dire che nella mia esperienza lavorativa mi son quasi sempre trovato a parlare, con i fornitori di trattamenti termici, di Cementazione+Tempra+Rinvenimento piuttosto che di Cementazione+Tempra+Distensione

Non ritengo di avere la conoscenza in tasca, pertanto era soltanto un'osservazione.

Detto ciò:
🤷‍♂️

tanto alla fine, che comanda, è sempre e solo la temperatura ed i cicli termici di pre-riscaldo, salita in temperatura, mantenimento e raffreddamento ... e la maggior parte delle volte si riesce giusto ad avere il picco di temperatura max della singola fase (anche giustamente dato che poi rappresenta il know-how del singolo fornitore)


Ho certi fornitori che se vedi l'azienda gli dai dei "rutamàtt" mentre poi trattano componentistica di pregio :ROFLMAO:
Il magico mondo dei trattamenti termici ...
 

PIETRO2002

Utente Junior
Professione: PROGETTISTA MECCANICO
Software: INVENTOR
Regione: LOMBARDIA
Fortunatamente ho avuto modo di lavorare in una azienda dove tra le altre operazioni avevamo anche l'impianto per il trattamento termico di cementazione, dovendo compilare i cicli di lavoro ho sempre scritto distensione.
Direi che e' sempre meglio usare i termini giusti, siamo arrivati a questo punto della discussione perche' il buon Mattymecc era stato confuso dalla parola "rinvenimento".
 

Eros1992

Utente attivo
Professione: Progettista meccanico
Software: Solidworks, Solidedge, Proengineer,Creo
Regione: Lombardia
riporto quando è scritto sul "manuale di trattamenti e finiture" della Tecniche Nuove in merito alla "diatriba" distensione/rinvenimento
 

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