CEMENTAZIONE
CEMENTAZIONE (IX, p. 693)
I cementi liquidi hanno avuto crescente diffusione per una serie di vantaggi che presentano: rapidità di cementazione, riscaldamento rapido dei pezzi, con che si evita il loro surriscaldamento, omogeneità e facile regolabilità della temperatura, uniformità dei risultati, possibilità di temprare immediatamente i pezzi all'uscita dai bagni di cementazione.
Con i cementi usati fino a pochi anni or sono non si poteva lavorare a temperature molto superiori agli 850°, perché essi si decomponevano dando luogo a gas irritanti; perciò il loro impiego era limitato a cementazioni superficiali rapide. Ulteriori studî hanno permesso di ottenere bagni stabili a temperature notevolmente più alte: essi sono generalmente composti da una miscela di sostanze contenenti carbonio e azoto (ad es., cianuro e calciocianamide) e di un opportuno diluente, a cui è aggiunto del carbonio finemente suddiviso, che ha effetto stabilizzante ed è contemporaneamente agente attivo di cementazione. In queste condizioni, la temperatura può essere portata a 900°-950°, con che si possono ottenere con notevole rapidità cementazioni abbastanza profonde (in due ore i mm., in quattro 1,6 mm., in sei 2 mm.) con una buona distribuzione in profondità del tenore di carbonio e della durezza.
Notevole interesse ha pure suscitato la cementazione continua in corrente di gas, secondo i brevetti della Surface Combustion Corp.: si ha un forno nel quale i pezzi si muovono nello stesso senso della corrente di gas cementante, che è costituito da una miscela di anidride carbonica e di idrocarburi; nella prima parte, a circa 650° gli idrocarburi si decompongono, depositando sui pezzi carbone finemente suddiviso, che nella seconda parte, mantenuta a una temperatura di 900°-950°, reagisce con l'anidride carbonica, fomiando ossido di carbonio, agente attivo della cementazione; nella terza parte, infine, nella quale la temperatura va diminuendo, cessa la cementazione, ma la cementite libera eventualmente formata si diffonde verso l'interno dando luogo a una migliore ripartizione del carbonio. Questo sistema è molto delicato, perché richiede un rigoroso controllo delle temperature, della composizione e della velocità della corrente gassosa, ma presenta molti vantaggi: la rapidità (0,8-0,9 mm. in un'ora), la regolarità di distribuzione del carbonio, la possibilità di regolarne la concentrazione alla superficie, la costanza dei risultati dovuta alla continuità dell'operazione.
Al paragrafo Difetti (p. 698) si parla di anomalie di cementazione e di acciai anomali accennando all'opportunità di eseguire una prova di cementazione con l'intento di definire il comportamento del materiale. Questa prova ha avuto in seguito larghissima diffusione per controllare "la grossezza del grano".
Come è noto, questa grandezza varia in funzione della temperatura e del tempo di riscaldamento (v. acciaio, I, p. 233); ma nel determìnare l'entità di queste variazioni interviene l'individualità dell'acciaio, cioè quel complesso di caratteristiche impossibile a precisarsi con l'analisi corrente, che dipende dal materiale adoperato per la fusione, dalla condotta dell'affinazione, dalla disossidazione, dalla temperatura e dalle modalità di colata, ecc. Eseguendo la prova di cementazione alla stessa temperatura (927 °C = 1700 °F) e per un tempo costante (8 ore) per tutti gli acciai, e lasciandoli raffreddare lentamente, si riesce a ottenere un reticolo di cememite ipereutettoide, che può servire per la misura della grossezza assunta in queste condizioni dal grano austenitico che lo rigetta, grossezza che è, come si è detto, caratteristica per ogni acciaio e ne definisce alcune fondamentali proprietà, quali, ad esempio, la penetrazione di tempra e la tendenza al surriscaldamento (v. termici, trattamenti, XXXIII, p. 559).
L'A.S.T.M. (American Society Testing Material) giovandosi di questa prova, ha classificato gli acciai in 8 grandezze dal n. 1 (i grano per pollice quadrato sotto l'ingrandimento di 100 diametri) al n. 8 (128 grani id. id.). Per quanto grossezza del grano e normalità non siano legate da una stretta interdipendenza, si è visto che gli acciai normali sono in genere a grano grosso, quelli anormali a grano fine.
Cementazione azoturante (p. 699). - La nitrurazione ha avuto una diffusione sempre più vasta negli ultimi anni e sono sorte nuove categorie di acciai da nitrurazione meglio appropriate agli scopi specifici cui sono destinate. Nella tabella annessa sono riportate le composizioni chimiche (comprese entro limiti abbastanza vasti, per definire il tipo) di alcuni degli acciai più usati con le relative proprietà meccaniche dopo bonifica con rinvenimento a 550°.
Questi acciai si possono dividere nei seguenti gruppi:
I. Acciai normali da nitrurazione. - Sono gli acciai in cui con un minimo di elementi speciali si raggiungono elevate durezze dello strato nitrurato (1100-1200 Vickers) e ottime caratteristiche meccaniche; lo strato nitrurato però è abbastanza fragile, quindi il loro uso va limitato a pezzi non soggetti a urti in servizio.
II. Acciai ad elevata tenacità dello strato nitrurato. - L'aumento della tenacità dello strato nitrurato si ottiene mediante riduzione del tenore di alluminio. Si hanno perciò acciai analoghi a quelli del gruppo precedente, con 0,40 ÷ 0,60% Al, che presentano dopo nitrurazione una durezza un po' minore (900-1000 Vickers). Se accanto a una buona tenacità occorre una elevata durezza, si ricorre ad acciai contenenti molibdeno (n. 2), mentre l'acciaio 3, senza alluminio, al vanadio, è caratterizzato da assenza assoluta di fragilità accompagnata da durezza relativamente bassa (800-900 Vickers).
III. Acciai poco sensibili alla decarburazione superficiale. - In alcuni casi l'acciaio deve essere bonificato a lavorazione meccanica ultimata; la decarburazione superficiale che ne deriva produrrebbe negli acciai normali una grande fragilità dello strato nitrurato, che viene combattuta mediante l'aggiunta di nichelio.
IV. Acciai ad elevata resistenza del cuore. - Ad essi si ricorre in quei casi in cui si hanno forti pressioni localizzate, che potrebbero produrre uno sfondamento dello strato nitrurato. La maggiore resistenza viene ottenuta aumentando il tenore di carbonio e spesso anche quello di molibdeno. Sono stati anche messi a punto dei tipi di acciaio in cui durante lo stesso trattamento di nitrurazione la durezza del cuore cresce per maturazione, come avviene nell'acciaio studiato da Fry, contenente 0,10% C, 1,40% Mn, 2,55% Si, 0,50% Al, 2,20% Ni, 3,90% Ti. (Per quanto riguarda la maturazione o tempra per segregazione, vedi metallografia: Relazione fra microstruttura e proprietà meccaniche, XXIII, p. 43, e tempra, XXXIII, p. 481).
Negli ultimi tempi si è introdotta nella pratica industriale la nitrurazione della ghisa: ottimi risultati hanno dato, ad es., le camicie per cilindri di motori. Si tratta naturalmente di ghise speciali, contenenti cromo (1-2%), alluminio (0,6-1,3%) e talvolta anche molibdeno o vanadio; i tenori di carbonio e di silicio si aggirano normalmente sul 2,5%. Il trattamento termico di queste ghise consiste normalmente in un riscaldamento a 925°-950°, cui segue un raffreddamento all'aria o in olio e un rinvenimento. La durezza dopo nitrurazione è leggermente inferiore a quella media degli acciai nitrurati e si aggira sui 900 Vickers.
Forni di cementazione (p. 696). - Una novità interessante rappresentano i forni Ugine-Infra, nei quali, mediante un dispositivo speciale si ottiene, senza alcun apparecchio di controllo, la regolazione automatica ad una temperatura fissa. Per questa loro caratteristica essi trovano il loro naturale impiego in quei trattamenti che vengono eseguiti sempre alla stessa temperatura, quali sono la cementazione e la nitrurazione.
Il dispositivo di riscaldamento (v. figura) è costituito da un solenoide (a), su cui è inviata la corrente industriale, che circonda un involucro conduttore (c), nel cui interno è a sua volta contenuto un nucleo magnetico (d), che forma la muffola; dei nuclei lamellari (b) chiudono il circuito magnetico. La corrente indotta nell'involucro conduttore riscalda il forno, finché il nucleo ha raggiunto il punto di Curie: a questo momento cambiano le caratteristiche di autoinduzione del circuito e la corrente indotta non è più sufficiente a mantenere la temperatura raggiunta, sicché si ha la regolazione automatica al punto di Curie del nucleo. Siccome è disponibile una serie di leghe nella quale ìl punto di Curie varia da 350° a 1100°, il campo di applicazione è vastissimo.
Altri processi di cementazione (p. 700). - Già n0ti da tempo sono i procedimenti di calorizzazione e di sherardizzazione: numerose ricerche sono state eseguite negli ultimi anni allo scopo di ottenere con procedimenti analoghi delle particolari proprietà superficiali, in special modo grande resistenza alla corrosione e alla ossidazione ad alta temperatura ed elevata durezza. È stata studiata la cementazione con tutti gli elementi che entrano negli acciai speciali e in qualche caso si sono ottenuti risultati interessanti: per esempio, la cementazione dell'acciaio con berillo ha permesso di raggiungere durezze superficiali pari a 1500 unità Vickers, quella della ghisa 1560 e si sono trovati numerosi procedimenti che permettono di ottenere resistenze alla corrosione e all'ossidazione ad alta temperatura pari a quelle dei migliori acciai attualmente in uso. Queste cementazioni sono però costose e delicate e dànno luogo a inconvenienti varî, fra cui principalmente una notevole fragilità degli strati cementati; nonostante siano stati presi in questo campo numerosi brevetti, le applicazioni pratiche sono tuttora piuttosto limitate.
Altro interessante metodo di cementazione è il seguente: con la pistola Schoop, che è uno speciale cannello, alimentato con ossigeno e acetilene o gas illuminante, un metallo, introdotto sotto forma di polvere o di filo, può essere fuso e spruzzato in minute goccioline sulla superficie di un altro metallo, sul quale esso solidifica, formando uno strato compatto. Con questo sistema, ad esempio, l'acciaio viene ricoperto a scopo protettitivo con zinco o alluminio. Se a questa operazione si fa seguire un riscaldamento ad alta temperatura, il metallo spruzzato può diffondere nell'interno del pezzo, dando luogo a una vera e propria cementazione metallica, che produce un notevole miglioramento della protezione contro la corrosione e l'ossidazione ad alta temperatura. Recenti studî hanno mostrato che ottimi risultati dànno rivestimenti di acciaio inossidabile 18-8 e di leghe nichelio-cromo-ferro 65-15-20.
Le ricerche intraprese per ottenere mediante cementazione la protezione superficiale dell'alluminio e del magnesio hanno avuto finora esito negativo.
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