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Spiegazione della carburazione: come funziona, vantaggi e tipi di carburazione

La carburazione è un processo termochimico tradizionale e affidabile, utilizzato sia dalle piccole officine che dalle grandi industrie per temprare le parti in acciaio a basso tenore di carbonio. Nel corso degli anni, il metodo ha registrato incredibili progressi grazie all’automazione e a una migliore comprensione della termodinamica e della cinetica della reazione chimica.

In questo articolo esploriamo questo processo per capire come funziona, i vantaggi che offre e i metodi più comuni. Iniziamo definendo cosa sia la carburazione.

Cos’è la carburazione?

La carburazione è un processo di trattamento termico che migliora le proprietà meccaniche, come la durezza, aggiungendo carbonio alla superficie del metallo.

Poiché l’aggiunta di carbonio è limitata alla superficie, il processo forma una cassa dura intorno al pezzo lungo la sua area superficiale. Pertanto, il processo di carburazione è un tipo di processo di cementazione. Altri esempi di processi di cementazione sono la nitrurazione, la carbonitrurazione, la nitrocarburazione ferritica, ecc.

Quando si usa la carburazione?

La carburazione viene generalmente utilizzata per indurire le superfici esterne delle parti in acciaio dopo che sono state lavorate nella loro forma finale.

La quantità di carbonio presente nella composizione di un pezzo determina direttamente la durezza finale. Se il contenuto iniziale di carbonio è basso, il semplice riscaldamento e la tempra non sono sufficienti per aumentare la durezza.

Per questi pezzi è necessario aumentare la composizione di carbonio del materiale. Ciò avviene con la carburazione. Manipolando i fattori del processo di carburazione, possiamo aumentare il contenuto di carbonio fino alle concentrazioni e alle profondità desiderate dalla superficie, per poi indurire il pezzo come necessario.

Questo processo è ideale per gli acciai a basso tenore di carbonio che sono acciai al carbonio semplici o acciai con elementi di lega.

Vantaggi della carburazione

Il processo di carburazione presenta numerosi vantaggi. Di conseguenza, è diventato ampiamente accettato in diversi settori verticali per fornire pezzi affidabili e cementati. Vediamo alcuni di questi vantaggi:

Processo semplice e versatile

Il processo è semplice e in molti casi può essere eseguito in forni rudimentali da manodopera non specializzata. Funziona con un’ampia gamma di acciai al carbonio, acciai legati e ghisa, con un contenuto massimo di carbonio dello 0,4%.

Può funzionare anche con progetti molto complessi, purché si tenga conto delle velocità di raffreddamento non uniformi delle diverse sezioni. Se non se ne tiene conto, il materiale svilupperà sollecitazioni eccessive e si romperà.

Basso costo

La carburazione può fornire pezzi con una durezza simile a quella dell’acciaio per utensili senza il loro costo elevato. Naturalmente ci sono delle limitazioni, come la temperatura di servizio consentita e la durata, ma l’acciaio carburato può sostituire l’acciaio costoso in molte applicazioni senza problemi di sicurezza o funzionalità.

Produzione di massa

La carburazione è adatta alla produzione di grandi volumi, in quanto il processo può essere automatizzato per sfornare continuamente grandi lotti di prodotti induriti in superficie.

Buon controllo dimensionale

I pezzi subiranno quasi sempre piccole deformazioni, ma rispetto ad altre operazioni di trattamento termico, i cambiamenti sono minori e più gestibili.

Elevata resistenza all’usura e duttilità

La resistenza all’usura e la duttilità si escludono a vicenda nei materiali. Una superficie resistente all’usura si ottiene indurendo un pezzo. Ma la tempra rende il materiale fragile, il che significa che perde la sua duttilità e, con essa, la sua forza d’urto.

La cementazione permette di ottenere pezzi duri in superficie ma con un nucleo morbido e resistente. Ciò consente ai pezzi di avere un’elevata resistenza all’usura e allo stesso tempo una grande duttilità.

In questo modo, un pezzo può sopportare carichi d’urto e resistere all’abrasione con competenza.

Elevata resistenza alla fatica

Le parti carbonizzate hanno un’elevata resistenza alla fatica grazie alla loro struttura unica. L’interno tenace e lo strato esterno duro consentono di sopportare carichi di fatica più elevati. Come si vede nel caso del 18CrNiMo7-6 cementato, il limite di fatica dopo la carburazione è superiore di circa il 60% rispetto a prima.

Inoltre, una maggiore durezza superficiale sopprime l’innesco di cricche per fatica e cambia la modalità di rottura per fatica da rottura superficiale a rottura interna.

Processi di carburazione

Il processo di carburazione aggiunge carbonio alla superficie del metallo. Ciò avviene riscaldando il metallo in un’atmosfera ricca di carbonio. A temperature più elevate, il carbonio si diffonde nella soluzione solida del materiale o forma carburi. Per entrambi i processi sono necessarie temperature elevate.

Se il carbonio entra solo nella soluzione solida, è necessario effettuare un ulteriore trattamento termico per aumentare la durezza del metallo al livello massimo. La superficie deve essere priva di contaminanti, come olio o uno strato di ossido, per facilitarne la diffusione. I carburi, invece, sono materiali naturalmente duri con un elevato punto di fusione.

Per aggiungere carbonio alla superficie di un metallo si possono utilizzare quattro diversi meccanismi. La differenza sta nel modo in cui il materiale di base viene esposto alla sostanza ricca di carbonio.

Carburazione solida o a pacchetto



Uno dei metodi di carburazione più antichi e più accessibili è la carburazione a pacchetto. In questo metodo, il pezzo metallico viene posto in presenza di materiale carbonioso solido, come ad esempio bricchette di carbone di legna schiacciate. Per questo motivo è nota anche come carburazione solida.

Scomponiamo ulteriormente la carburazione a pacchetto e parliamo del processo per l’acciaio al carbonio 1018. Si compone di tre fasi principali:

Aggiunta di carbonio

L’acciaio viene posto a contatto con il materiale carbonioso su tutti i lati in una scatola di acciaio ermeticamente chiusa. Argille refrattarie, come argilla da fuoco, può essere utilizzata per sigillare la scatola.

Una volta imballata, la scatola viene posta in un forno e riscaldata a circa 925 °C (~1700 °F) per circa 8-10 ore. Nel forno, l’anidride carbonica del materiale carbonioso si dissocia in monossido di carbonio e carbonio elementare. Il carbonio si diffonde nel metallo.

Con il tempo, la composizione del carbonio negli strati superficiali aumenta. Il tasso di assorbimento e la profondità a cui arriva il carbonio dipendono dal tempo, dalla temperatura del forno e dall’atmosfera.

Una volta che il pezzo ha assorbito una quantità sufficiente di carbonio, la cassa viene rimossa dal forno e il pezzo viene estratto dalla cassa d’acciaio. A questo punto il metallo è ancora morbido, ma ha un potenziale di carbonio più elevato.

Trattamento termico

Ora è il momento del processo di trattamento termico per aumentare la durezza. L’acciaio viene messo direttamente nel forno a circa 790 °C (~1450 °F) e tenuto lì per circa 15 minuti. In questo modo la microstruttura della perlite si trasforma completamente in austenite.

I pezzi vengono estratti dal forno e raffreddati rapidamente in acqua. Il rapido raffreddamento non consente la trasformazione inversa in austenite e si sviluppa invece la microstruttura della martensite, che è estremamente dura.

Distensione o rinvenimento

Un raffreddamento rapido può portare alla formazione di tensioni interne al pezzo. Si raccomanda di alleviare queste tensioni con il rinvenimento, ossia riscaldando a una temperatura inferiore di circa 205 °C (~400 °F) per circa un’ora; questa volta, il pezzo non viene raffreddato, ma in aria.

Dopo tutti questi passaggi, abbiamo un pezzo in acciaio 1018 cementato che è fino a sei volte più duro del pezzo non trattato.

Nonostante i suoi evidenti meriti, il metodo della carburazione a pacchetto non è oggi così comune per l’uso commerciale, perché è troppo lento rispetto ad altri metodi più moderni. Tuttavia, trova ancora applicazione nelle piccole officine, dove il processo viene utilizzato per la cementazione di ingranaggi di grandi dimensioni, coltelli, alberi, ecc.

Carburazione sotto vuoto

Nel metodo di carburazione sotto vuoto, la diffusione del carbonio avviene in un forno a vuoto o a bassa pressione. La parte metallica è esposta al propano, che si decompone rapidamente nei suoi componenti di carbonio e idrogeno. Il carbonio viene assorbito rapidamente e a temperature molto più basse rispetto ad altri metodi, con conseguente risparmio di tempo e denaro.

Inoltre, il processo non emette gas nocivi. Con la carburazione sottovuoto, quindi, abbiamo un processo veloce, sostenibile ed economico che possiamo controllare con precisione. La carburazione sottovuoto è quindi utilizzata nella produzione di utensili di precisione, ingranaggi e parti complesse che richiedono un elevato grado di accuratezza.

Carburazione liquida (cianurazione)

Come suggerisce il nome, la carburazione liquida viene effettuata in bagni di sali fusi. I sali sono sali a base di carbonio. Il sale più comunemente utilizzato è il cianuro di sodio, il processo è noto anche come cianurazione.

Il processo avviene a 850-950 °C ed è il più rapido di tutti i processi di carburazione. Tuttavia, durante il processo è necessaria un’estrema precauzione, poiché il cianuro è altamente tossico per l’uomo.

Ingranaggi, dadi e bulloni sono comunemente temprati con il processo di carburazione liquida.

Carbonizzazione a gas

Quando la fonte di carbonio per il processo di carburazione è un’atmosfera gassosa, si parla di carburazione a gas. I gas comunemente utilizzati per la carburazione sono il propano e il metano. Quando sono esposti all’acciaio caldo in presenza di una quantità calcolata di aria e catalizzatori, si dissociano sulla superficie del metallo in carbonio elementare, che viene poi assorbito dalla superficie.

La temperatura di carburazione tipica del processo è di circa 925 °C (1700 °F). Controllando la temperatura del processo e l’atmosfera, possiamo controllare molto bene questo processo. Ciò lo rende adatto alla produzione di massa. Gli alberi a gomito dei motori vengono normalmente carburati con il metodo della carburazione a gas.

Carbonitrurazione

La carbonitrurazione è un tipo particolare di processo di cementazione che prevede l’esposizione a materiali che aggiungono al metallo non solo carbonio ma anche azoto. Analogamente a come il carbonio forma i carburi, l’azoto può formare nitruri nel reticolo del metallo. I nitruri presentano proprietà simili ai carburi, con un’elevata durezza e un alto punto di fusione.

Pertanto, la formazione di nitruri può anche aiutarci a migliorare la durezza superficiale dei componenti in acciaio a basso tenore di carbonio.

Nella carbonitrurazione, insieme a propano/metano, ammoniaca viene aggiunta alla miscela di gas come fonte di azoto.

La carbonitrurazione richiede temperature di forno inferiori rispetto al processo di carburazione. La temperatura tipica per un processo di carbonitrurazione è di 840 °C (1550 °F).

A differenza della carbonizzazione, i pezzi carbonitrurati possono mantenere la loro durezza a temperature di servizio più elevate.

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