1. Acciai da Cementazione: Guida Tecnica per Operatori del Settore
Gli acciai da cementazione rappresentano una categoria specializzata di materiali metallurgici progettati specificamente per ottenere elevate prestazioni attraverso il trattamento termico cementazione acciai.
Questi materiali, caratterizzati da un basso contenuto di carbonio e da una composizione chimica ottimizzata, costituiscono la soluzione tecnologica preferenziale per componenti meccanici sottoposti a severe sollecitazioni superficiali combinando durezza superficiale estrema con tenacità del nucleo.
2. Definizione e Caratteristiche degli Acciai da Cementazione
Gli acciai da cementazione sono leghe ferro-carbonio appositamente formulate con un basso tenore di carbonio, generalmente non superiore allo 0,20%, progettate per rispondere in modo ottimale ai processi di arricchimento superficiale di carbonio.
Questa categoria di acciai presenta la peculiarità di mantenere un nucleo tenace dopo tempra e rinvenimento mentre sviluppa uno strato superficiale estremamente duro attraverso il processo termochimico di cementazione.
La caratteristica distintiva di questi materiali risiede nella loro capacità di sviluppare un gradiente di proprietà meccaniche dal nucleo alla superficie, garantendo la combinazione ottimale di durezza superficiale (62-64 HRC) e tenacità del nucleo.
Questa configurazione è ottenuta attraverso la diffusione controllata di carbonio nella zona superficiale del componente, che può raggiungere concentrazioni dello 0,8-1% mantenendo il nucleo a basso tenore di carbonio.
3. Composizione Chimica Ottimale
La composizione chimica degli acciai da cementazione è studiata per ottimizzare la temprabilità e le acciai da cementazione proprietà meccaniche.
Gli elementi di lega presenti includono manganese fino all’1,2%, nichel fino al 3,5%, cromo fino all’1,5% e molibdeno fino allo 0,50%. Questi elementi contribuiscono a migliorare la temprabilità del nucleo e la stabilità dimensionale durante il trattamento termico.
Il manganese favorisce la temprabilità e la resistenza meccanica, mentre il nichel migliora significativamente la tenacità del nucleo, particolarmente importante per applicazioni che richiedono resistenza agli shock meccanici.
Il cromo contribuisce alla formazione di carburi stabili durante la cementazione, mentre il molibdeno aumenta la resistenza e la durezza, rendendo l’acciaio adatto per applicazioni ad alta resistenza e resistenza all’usura.
4. Microstruttura e Trasformazioni di Fase
La microstruttura degli acciai cementati presenta un gradiente caratteristico dalla superficie al nucleo.
Lo strato cementato, dopo tempra e rinvenimento, presenta una struttura martensitica rinvenuta con carburi finemente dispersi, mentre il nucleo mantiene una struttura a minore contenuto di carbonio con tenacità superiore.
La zona di transizione presenta un graduale cambiamento di composizione e microstruttura che garantisce l’assenza di discontinuità meccaniche.
5. Classificazione Acciai Cementazione Secondo Normative Internazionali
5.1. Normativa Europea UNI EN 10084
La classificazione acciai cementazione in ambito europeo è regolamentata dalla normativa UNI EN 10084, che stabilisce le condizioni tecniche di fornitura per gli acciai da cementazione non legati e legati.
Questa normativa definisce i requisiti minimi del processo di produzione degli acciai, la composizione chimica, la durezza, la temprabilità e le caratteristiche tecnologiche concordate con il produttore.
La norma prescrive controlli specifici tra cui la verifica della grossezza del grano, controllo visivo e dimensionale.
Per gli acciai ordinati senza prescrizioni di temprabilità devono essere verificate le prescrizioni di durezza indicate dal prospetto 1 della norma UNI 10084, mentre per gli acciai ordinati con prescrizioni di temprabilità (+H) sono richiesti controlli aggiuntivi di temprabilità secondo la prova Jominy.
5.2. Standard ASTM e JIS
Le corrispondenze internazionali degli acciai da cementazione includono gli standard ASTM A304 per il mercato nordamericano e JIS G 4052 per il mercato giapponese.
Il sistema JIS utilizza designazioni come SNCM420, che può essere sostituito dall’ASTM 4320, dimostrando l’armonizzazione internazionale delle specifiche per questi materiali.
Tabella Comparativa delle Designazioni
| Designazione EN | Equivalente ASTM | Equivalente JIS | Contenuto C (%) | Applicazione Tipica |
| 20MnCr5 | 5120 | SMn420 | 0,17-0,23 | Ingranaggi medi carichi |
| 16NiCr4 | 3115 | SNC815 | 0,13-0,19 | Ingranaggi precisione |
| 18CrNiMo7-6 | 4817 | SNCM220 | 0,15-0,21 | Componenti alta sollecitazione |
| 17NiCrMoS6-4 | – | – | 0,14-0,20 | Componenti alta lavorabilità |
6. Trattamento Termico Cementazione Acciai
6.1. Processi di Cementazione (Gassosa, Liquida, Solida)
La cementazione gassosa liquida solida comprende tre metodologie distinte per l’arricchimento superficiale di carbonio.
La cementazione gassosa, oggi più largamente diffusa per la produzione di grande serie, consiste nel riscaldare i pezzi a 850-950°C in una corrente gassosa costituita essenzialmente da metano (CH₄) che, a contatto con l’anidride carbonica e l’ossigeno, libera molecole di CO.
Le temperature di cementazione variano da 850°C a 950°C in funzione della composizione dell’acciaio, della profondità richiesta e del tipo di processo (gassoso, liquido, solido). La cementazione gassosa opera tipicamente a 920-930°C per acciai al carbonio-manganese.
La cementazione liquida prevede l’immersione dei pezzi in bagni di sali fusi quali cianuro di sodio, carbonati e cloruri alcalini e di bario. Il cianuro di sodio reagisce con l’ossigeno dell’aria e l’anidride carbonica liberando ossido di carbonio che rilascia atomi di carbonio nel pezzo.
La cementazione solida, meno utilizzata nell’industria moderna, prevede l’utilizzo di miscele carboniose solide in cassette o contenitori chiusi, con temperature e tempi di processo simili agli altri metodi ma con maggiori difficoltà di controllo dell’atmosfera e uniformità del trattamento.
6.2. Parametri di Processo e Controllo
La profondità cementazione acciai è controllata attraverso parametri specifici di tempo e temperatura. La profondità di diffusione del carbonio e della reale carbocementazione associata (ECD) può variare da pochi decimi di millimetro fino a diversi millimetri.
La concentrazione superficiale di carbonio negli acciai cementati raggiunge tipicamente 0,7-0,9%, raramente superando 0,85% per evitare formazione di cementite massiva fragile.
La profondità di cementazione (CHD) è definita come la distanza verticale tra la superficie del provino e lo strato che evidenzia una durezza limite di 550 HV. Studi recenti hanno dimostrato che sono stati ottenuti campioni con profondità di cementazione di circa 0,55 mm, 0,9 mm e 1,9 mm con durezza superficiale compresa tra 640 HV1 e 760 HV1.
6.3. Trattamenti Termici Post-Cementazione
Il ciclo termico post-cementazione può prevedere tempra diretta dalla temperatura di cementazione o cicli con doppia tempra per componenti di medie o grosse dimensioni.
La tempra diretta prevede l’immersione in olio o fluido di tempra adeguato a partire dalla temperatura di cementazione, seguita da rinvenimento a 150-200°C.
Per componenti critici che richiedono elevata qualità e affidabilità, il ciclo con doppia tempra permette di ottimizzare separatamente le proprietà del nucleo e della superficie, eseguendo una prima tempra per il nucleo e una seconda tempra a temperatura corretta per la superficie, rinvenendo contemporaneamente il nucleo.
7. Limitazioni del Processo di Cementazione:
Il processo di cementazione degli acciai ha delle limitazioni che è fondamentale conoscere quando si opera con questo trattamento:
- Distorsioni inevitabili: deformazioni legate alle trasformazioni di fase
- Decarburazione selettiva: rischio in aree non mascherate
- Ossidazione intergranulare: controllo critico dell’atmosfera
- Formazione di carburi massivi: per concentrazioni C >0,9% superficiali
- Fragilità da idrogeno: particolarmente critica negli acciai al Ni
- Tempi di processo lunghi: 6-24 ore per profondità significative
- Mascheratura obbligatoria: per zone non da cementare
8. Proprietà Meccaniche e Caratteristiche Prestazionali
8.1. Durezza Superficiale e Profondità Cementazione
Le acciai da cementazione proprietà meccaniche sono caratterizzate dall’elevata durezza superficiale che può raggiungere 62-64 HRC, garantendo eccellente resistenza all’usura meccanica. La durezza superficiale varia in funzione del contenuto di carbonio diffuso e delle condizioni di tempra e rinvenimento successive.
La distribuzione della durezza dalla superficie al nucleo segue un andamento decrescente che riflette il gradiente di carbonio ottenuto durante la cementazione. Questa configurazione garantisce la transizione graduale dalle proprietà superficiali a quelle del nucleo, evitando concentrazioni di tensioni critiche.
8.2. Resistenza all’Usura e Fatica di Contatto
Gli acciai cementati presentano eccellente resistenza all’usura adesiva e abrasiva grazie alla struttura martensitica rinvenuta dello strato superficiale. La presenza di carburi finemente dispersi contribuisce alla resistenza all’usura, mentre la tenacità del nucleo previene la propagazione di cricche superficiali.
La resistenza alla fatica di contatto è significativamente migliorata dalla presenza del gradiente di durezza, che distribuisce le tensioni di contatto su un volume maggiore rispetto a trattamenti di indurimento uniforme.
8.3. Tenacità del Nucleo
La tenacità del nucleo negli acciai basso carbonio cementazione è mantenuta attraverso il controllo della composizione chimica e dei parametri di trattamento termico. Gli acciai con alta percentuale di nichel sono preferiti per ottenere elevata tenacità, essenziale per resistere a sollecitazioni dinamiche e shock meccanici.
9. Acciai da Cementazione più Utilizzati
9.1. Acciai Non Legati (C10, C15, C20)
Gli acciai non legati per cementazione, designati secondo il contenuto di carbonio moltiplicato per 100, rappresentano la categoria base per applicazioni con requisiti meccanici standard. Il C10 (0,10% C), C15 (0,15% C) e C20 (0,20% C) sono utilizzati per componenti di geometrie semplici con profondità di cementazione limitate.
9.2. Acciai Legati (20MnCr5, 18CrNiMo7-6, 20NiCrMo2-2)
Il 20MnCr5 rappresenta l’acciaio da cementazione manganese-cromo più utilizzato, disponibile in condizioni ricotto lavorabile per barre laminate, forgiate e trafilate con diametri da 16 a 500 mm. Questo grado offre un buon compromesso tra temprabilità e costo per applicazioni di media sollecitazione.
Il 18CrNiMo7-6 è un acciaio legato ad alta temprabilità utilizzato per componenti fortemente sollecitati, disponibile in stato ricotto lavorabile per barre laminate e forgiate con diametri fino a 490 mm. La presenza di nichel, cromo e molibdeno garantisce elevate proprietà meccaniche dopo cementazione e tempra.
Il 20NiCrMo2-2, pur non specificamente citato nelle fonti consultate, rappresenta tipicamente un acciaio da cementazione con contenuto di nichel per applicazioni che richiedono elevata tenacità del nucleo combinata con buona temprabilità.
9.3. Acciai Speciali per Applicazioni Critiche
Gli acciai della serie 17NiCrMoS6-4 presentano contenuto di zolfo per migliorare la lavorabilità, disponibili anche con aggiunta di piombo (17NiCrMoS6-4+Pb) per massimizzare la velocità di lavorazione. Questi gradi sono utilizzati per componenti di precisione prodotti in grandi serie.
Il 16NiCrMo12 rappresenta un acciaio da cementazione ad alto contenuto di elementi leganti per applicazioni critiche che richiedono elevata temprabilità e resistenza.
10. Applicazioni Industriali Acciai Cementati
10.1. Industria Automobilistica
Le applicazioni industriali acciai cementati nell’industria automobilistica includono ingranaggi, alberi di trasmissione, camme e pignoni. Questi componenti sono sottoposti a elevate sollecitazioni di contatto e richiedono la combinazione di alta durezza superficiale e buona tenacità del nucleo per garantire affidabilità e durata nel tempo.
Gli acciai cementati sono utilizzati per la produzione di componenti critici del powertrain, dove la resistenza all’usura e alla fatica sono essenziali per le prestazioni e l’affidabilità del veicolo.
10.2. Ingranaggi e Trasmissioni
Gli ingranaggi rappresentano l’applicazione principale degli acciai da cementazione, richiedendo elevata durezza superficiale per resistere all’usura dei denti e tenacità del nucleo per sopportare i carichi trasmessi. La cementazione permette di ottenere profili di durezza ottimali per massimizzare la vita a fatica degli ingranaggi.
10.3. Cuscinetti e Componenti di Precisione
Nell’industria aerospaziale, l’acciaio cementato è impiegato per la realizzazione di componenti di motori, come ingranaggi di riduzione, alberi di trasmissione e cuscinetti. Le severe condizioni operative richiedono materiali in grado di resistere a usura, fatica e corrosione.
Nel settore delle macchine utensili, l’acciaio cementato trova applicazione nella produzione di guide lineari, mandrini, stampi e matrici, dove la combinazione di durezza superficiale e precisione dimensionale è critica.
11. Controllo Qualità e Difettologia
11.1. Prove e Controlli Standard
Il controllo qualità degli acciai cementati comprende la verifica della profondità di cementazione secondo ISO 2639, controlli di durezza superficiale e del nucleo, e verifiche microstrutturali. La profondità di cementazione CHD, secondo ISO 2639, è definita come la distanza dalla superficie al punto dove la durezza misurata con indentatore Vickers e carico 0,3 kgf raggiunge 550 HV0,3.
I controlli includono prove di fatica per verificare la resistenza del componente finito, controlli dimensionali per verificare le deformazioni indotte dal trattamento termico, e controlli metallografici per verificare la microstruttura e l’assenza di difetti.
11.2. Difetti Tipici e Prevenzione
I difetti tipici negli acciai cementati includono la decarburazione superficiale, l’ossidazione interna, le cricche di tempra e le deformazioni eccessive. La prevenzione richiede il controllo rigoroso dell’atmosfera di cementazione, dei parametri di tempra e della geometria dei componenti.
12. Domande Frequenti sugli Acciai da Cementazione
Qual è la differenza principale tra acciai da cementazione e acciai da bonifica?
Gli acciai da cementazione si distinguono dagli acciai da bonifica per il contenuto di carbonio e l’approccio al trattamento termico. Gli acciai da cementazione presentano basso contenuto di carbonio (≤0,20%) e subiscono arricchimento superficiale seguito da tempra, mentre gli acciai da bonifica hanno contenuto di carbonio superiore (0,25-0,60%) e vengono trattati uniformemente su tutta la sezione.
Quale processo di cementazione è più utilizzato nell’industria moderna?
La cementazione gassosa è oggi più largamente diffusa e si presta soprattutto alla produzione di grande serie. Presenta il vantaggio di eliminare il cementante solido e la possibilità di procedere a tempra diretta al termine dell’operazione senza ulteriore riscaldamento.
Come si determina la profondità di cementazione ottimale?
La profondità di cementazione è determinata dalle sollecitazioni di esercizio e dalle dimensioni del componente. La profondità può variare da pochi decimi di millimetro fino a diversi millimetri, e viene misurata come CHD (profondità con durezza 550 HV) secondo ISO 2639.
Quali sono i vantaggi degli acciai legati rispetto a quelli non legati per cementazione?
Gli acciai legati offrono maggiore temprabilità, permettendo di ottenere proprietà uniformi anche in sezioni di grandi dimensioni. Gli elementi leganti come nichel, cromo e molibdeno migliorano rispettivamente tenacità, temprabilità e resistenza.
Perché il contenuto di carbonio degli acciai da cementazione è così basso?
Il basso tenore di carbonio (≤0,20%) è necessario per avere una buona cementazione e per non aumentare eccessivamente la durezza del nucleo, mantenendo la tenacità necessaria per sopportare le sollecitazioni di esercizio mentre la superficie acquisisce l’elevata durezza richiesta.