Trattamento termico e chimico dei metalli
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Le moderne strutture ingegneristiche richiedono materiali con elevata resistenza superficiale, elevata resistenza all’abrasione, alla fatica e agli agenti chimici, pur mantenendo la duttilità e la tenacità del nucleo. Questa combinazione di proprietà desiderabile può essere ottenuta attraverso il trattamento termico e chimico.
Il trattamento termico e chimico è un insieme di processi tecnologici che comportano la saturazione dello strato superficiale degli elementi metallici con elementi chimici attivi (come carbonio, azoto, boro, cromo) e la contemporanea applicazione di calore. Come risultato di questi trattamenti, si verificano cambiamenti strutturali e chimici nello strato superficiale del metallo, che ne alterano radicalmente le proprietà.
Il risultato di un trattamento termico e chimico ben eseguito è uno strato superficiale duro e resistente all’usura, che mantiene un nucleo duttile e malleabile, aumentando significativamente la durata delle parti di macchine e degli utensili.
A seconda dell’elemento utilizzato e del processo, esistono diversi tipi di trattamento termochimico. I più comuni sono la carburatura, la nitrurazione e la carbonitrurazione (nota anche come cianurazione), nonché metodi più specializzati come la cromatura, l’alluminatura e la boratura.
Nelle sezioni seguenti di questo articolo esamineremo più in dettaglio i meccanismi di questi processi, le loro applicazioni pratiche e la loro influenza sulla microstruttura e sulle proprietà dello strato superficiale dei metalli.
Meccanismo d’azione – diffusione degli elementi
La base di tutti i processi di trattamento termico e chimico è il fenomeno della diffusione, ovvero il movimento spontaneo degli atomi da un’area di maggiore concentrazione ad un’area di minore concentrazione. In questo caso, abbiamo a che fare con la diffusione di un elemento chimico attivo (ad esempio carbonio, azoto) nel metallo, molto spesso ferro. Il processo di saturazione della superficie metallica consiste in tre fasi:
- Adsorbimento degli atomi attivi: gli atomi dell’elemento saturante si depositano sulla superficie metallica, formando un cosiddetto strato di transizione;
- Diffusione superficiale: gli atomi si muovono attraverso la superficie, cercando luoghi adatti per “entrare” nella struttura cristallina;
- Diffusione interna (volumetrica): a una temperatura sufficientemente elevata, gli atomi si diffondono nel metallo, depositandosi negli spazi liberi del reticolo cristallino (il più delle volte tra i nodi, nei cosiddetti interstizi reticolari).
La temperatura qui gioca un ruolo cruciale: più è alta, più veloce è la diffusione, maggiore è la profondità di saturazione dello strato, ma anche maggiore è il rischio di crescita dei grani e di cambiamenti nel nucleo del materiale.
A seconda del tipo di elemento, gli atomi che si diffondono interagiscono con gli atomi di ferro per formare varie soluzioni solide o composti chimici (ad esempio nitruri, carburi, boruri). È la loro presenza che determina l’aumento della durezza dello strato superficiale, l’aumento della resistenza all’abrasione e alla fatica e il miglioramento della resistenza alla corrosione e al calore.
Il processo di diffusione avviene secondo il gradiente di concentrazione, il che significa che la concentrazione dell’elemento saturante diminuisce con l’aumentare della profondità. Ciò si traduce in una caratteristica struttura a strati: una zona satura (superficie) molto dura, una zona di transizione con proprietà che cambiano gradualmente e un nucleo che mantiene le proprietà originali del metallo.
È proprio questo graduale cambiamento strutturale e chimico che conferisce al trattamento termico un vantaggio rispetto ad altre tecnologie di superficie, come il rivestimento o la spruzzatura.
Carburatura
La carburatura è un processo di trattamento termico in cui la superficie di un componente in acciaio viene saturata con carbonio per aumentarne la durezza, la resistenza all’usura e alla fatica. È particolarmente utilizzata per gli acciai a basso tenore di carbonio, che non sono adatti alla tempra da soli; tuttavia, dopo la carburatura, acquisiscono una superficie dura pur mantenendo la duttilità del nucleo.
Principio di funzionamento
Il processo di carburazione prevede il riscaldamento dell’acciaio alla temperatura di austenitizzazione (circa 880-950 °C) e il suo mantenimento in un’atmosfera contenente carbonio attivo per un tempo specificato (da alcune ore a diverse decine di ore), a seconda della profondità dello strato richiesto.
Durante questo periodo, gli atomi di carbonio si adsorbono sulla superficie e poi si diffondono nell’acciaio, occupando gli spazi interstiziali del reticolo cristallino dell’austenite. Dopo la saturazione, i componenti vengono temprati e rinvenuti, consentendo un’elevata durezza dello strato (spesso superiore a 60 HRC) pur mantenendo un nucleo duttile.
Tipi di cementazione
Cementazione in polvere
- Tradizionalmente utilizzata in un letto di carbone e attivatori (ad es. BaCO₃);
- Non molto precisa, difficile da controllare;
- Attualmente è meno utilizzata, principalmente nella produzione di piccoli lotti di utensili e parti antiche.
Carburatura a gas
- Più comunemente utilizzata nell’industria;
- Effettuata in un’atmosfera di gas di carburazione (ad es. CO, CH₄) in forni a tenuta di gas;
- Consente di avere un controllo preciso della temperatura, del tempo e della composizione dell’atmosfera;
- Permette di ottenere uno strato carburato uniforme con uno spessore fino a diversi mm.
Carburatura sotto vuoto (a bassa pressione)
- Metodo moderno che utilizza l’alimentazione ciclica di gas carbonizzante in condizioni di vuoto;
- Consente di ottenere un’elevata purezza dello strato, senza ossidazione e deformazione;
- Particolarmente indicato per parti meccaniche di precisione (ad es. ingranaggi, cuscinetti).
Struttura e proprietà dello strato carburato
Dopo l’indurimento, nello strato superficiale si forma una struttura di martensite satura di carbonio, che passa a bainite, ferrite o perlite man mano che il materiale viene penetrato più in profondità. Lo strato carburato raggiunge una durezza superiore a 62 HRC, è caratterizzato da un’elevata resistenza all’abrasione e alla fatica da contatto, ma presenta una bassa resistenza alle alte temperature e alla corrosione (il che ne limita le applicazioni).
Nitrurazione
La nitrurazione è un processo che satura la superficie di un metallo con azoto, aumentando la durezza, la resistenza all’usura, alla corrosione e alla fatica senza necessità di tempra. A differenza della cementazione, la nitrurazione viene tipicamente eseguita a temperature più basse (di solito 500-580 °C), il che riduce al minimo il rischio di deformazione, mantenendo la precisione dimensionale del pezzo e preservando la struttura interna.
Durante la nitrurazione, gli atomi di azoto si adsorbono sulla superficie dell’acciaio, si diffondono nella struttura cristallina e formano legami con gli atomi di metallo della lega (come Al, Cr, Mo, V), portando alla formazione di nitruri intermetallici (ad esempio AlN, CrN, VN). Sono questi composti che determinano l’elevata durezza e resistenza superficiale.
Tipi di nitrurazione
Nitrurazione in fase gassosa
- Eseguita in atmosfera di ammoniaca (NH₃), che si decompone in azoto attivo e idrogeno;
- Diffusa, economica e ben consolidata;
- Tempo di processo: da 10 a 100 ore;
- Spessore dello strato fino a 0,5 mm, durezza fino a 1100 HV.
Nitrurazione ionica (plasma)
- Eseguita in condizioni di bassa pressione utilizzando un campo elettrico;
- La superficie metallica funge da catodo e le molecole di azoto vengono attratte e “spinte” nel materiale;
- Consente di esercitare un controllo preciso della profondità e del profilo dello strato;
- Il processo è pulito, veloce, efficiente dal punto di vista energetico e ideale per parti di precisione.
Nitrurazione in bagno di sale
- Meno comunemente utilizzata, prevede l’immersione dei pezzi in una soluzione di cianuri e nitrati;
- Le condizioni sono più difficili da controllare, ma lo strato può essere più resistente alla corrosione.
L’efficacia della nitrurazione dipende dal contenuto di elementi che formano azoto (ad esempio Al, Cr, Mo, V), nonché dalla microstruttura e dal precedente trattamento termico. L’acciaio va trattato termicamente in anticipo e la superficie deve essere accuratamente pulita (priva di scaglie, grasso e ruggine).
Uno strato tipico è costituito da due zone: uno strato legato, molto duro, sottile (10-20 μm) e composto principalmente da nitruri, e uno strato di supporto alla diffusione, più spesso (fino a 0,5 mm) e responsabile del trasferimento del carico.
Tra le sue caratteristiche figurano una durezza di 900-1200 HV, un’eccellente resistenza all’abrasione e alla fatica, un’elevata resistenza alla corrosione, soprattutto quando si utilizzano acciai inossidabili, e l’assenza di necessità di tempra dopo il processo, che riduce la deformazione e i costi.
Carbonitrurazione (cianurazione)
La carbonitrurazione, nota anche come cianurazione, è un processo di trattamento termochimico in cui la superficie metallica viene saturata simultaneamente con carbonio e azoto. Il trattamento mira a ottenere uno strato superficiale duro e sottile che offre un’elevata resistenza all’usura, all’abrasione e alla fatica, con un tempo di trattamento più breve rispetto alla carburazione classica.
Rispetto alla carburazione, la temperatura di processo è più bassa, solitamente compresa tra 700 e 900 °C, il tempo di saturazione è più breve e lo strato risultante è più sottile ma più duro grazie alla presenza di nitruri.
La carbonitrurazione consiste nel riscaldare l’acciaio alla temperatura appropriata e mantenerlo in un ambiente contenente sia carbonio che azoto, ad esempio sotto forma di gas (CH₄ + NH₃) o bagni di sale (cianati, cianuri).
Durante questo processo, gli atomi di carbonio e azoto si adsorbono sulla superficie e poi si diffondono nel materiale, formando uno strato di diffusione misto che contiene carburi e nitruri di ferro ed elementi di lega.
Dopo la carbonitrurazione, la durezza raggiunge valori elevati, pari a 850-1000 HV, lo strato presenta un’elevata resistenza all’abrasione e una buona resistenza all’ossidazione e alla corrosione (migliore rispetto alla sola cementazione). Lo strato presenta uno spessore tipico di 0,2-0,5 mm e presenta una deformazione minima; spesso non è necessario alcun ulteriore trattamento termico. Grazie a queste proprietà, la carbonitrurazione viene utilizzata, tra l’altro, per ingranaggi, alberi, boccole, viti e componenti che richiedono un’elevata resistenza superficiale e precisione dimensionale.
Tipi di carbonitrurazione
Carbonitrurazione in gas
- Effettuata in un’atmosfera di una miscela di gas saturi (ad esempio ammoniaca e idrocarburi);
- Più comunemente utilizzata nell’industria;
- Consente il di mantenere il controllo dei parametri del processo e ottenere uno strato duro con uno spessore di 0,1-0,5 mm.
Carbonitrurazione in bagno (cianurazione)
- Effettuata in soluzioni di sali di cianuro (NaCN, KCN);
- Processo molto veloce, ma dannoso per l’ambiente (tossicità del cianuro);
- Attualmente è sempre meno utilizzata e spesso sostituita dalla cianurazione non tossica (ad esempio utilizzando cianati).
Carbonitrurazione ionica
- Metodo moderno eseguito in condizioni di vuoto;
- Consente una formatura precisa dello strato di diffusione;
- Utilizzato nella produzione di parti con geometrie complesse e requisiti di precisione.
Altri tipi di impregnazione per diffusione
Oltre alla cementazione, alla nitrurazione e alla carbonitrurazione, esistono diversi altri processi di trattamento termochimico che prevedono l’impregnazione della superficie metallica con vari elementi per ottenere proprietà specializzate, come la resistenza alle alte temperature, alla corrosione, all’erosione o all’ossidazione.
Ciascuno di questi processi consente di adattare lo strato superficiale a condizioni operative molto specifiche in cui i metodi standard (come l’indurimento) si rivelano insufficienti. Il loro utilizzo spesso aumenta la durata e l’affidabilità dei componenti chiave delle apparecchiature che operano in ambienti estremi. Di seguito sono presentati i più importanti:
Cromatura per diffusione
Consiste nel saturare la superficie metallica con cromo ad alta temperatura (900-1100 °C). Viene eseguita in atmosfera gassosa (ad esempio cloruri di cromo) o in bagni di polvere.
La cromatura per diffusione crea uno strato di cromuro di ferro, caratterizzato da:
- Ottima resistenza alla corrosione e all’ossidazione;
- Durezza e resistenza all’abrasione;
- Resistenza ai gas e alle sostanze chimiche aggressive.
Utilizzata nell’industria chimica, petrolchimica ed energetica (ad esempio tubi per caldaie, valvole, componenti di reattori).
Alluminatura (alluminatura)
Processo di saturazione di una superficie con alluminio, solitamente a una temperatura di 800-1050 °C. Porta alla formazione di composti intermetallici FeAl o Fe₃Al. Tra i suoi principali vantaggi troviamo:
- Elevata resistenza all’ossidazione ad alte temperature;
- Protezione dall’erosione da gas e scorie metallurgiche;
- Migliore resistenza alla corrosione sotto l’influenza di zolfo e cloruri.
Utilizzata in turbine, scambiatori di calore, caldaie e motori a reazione.
Boruratura (borurazione)
La boruratura è un trattamento superficiale che comporta la diffusione del boro nella struttura del metallo. La boruratura porta alla formazione di boruri duri, come FeB, Fe₂B, con una durezza dello strato fino a 1800-2000 HV. La boronizzazione è caratterizzata da:
- eccellente resistenza all’abrasione,
- resistenza agli acidi, agli alcali e alle salamoie,
- fragilità, che ne limita l’uso in componenti dinamici.
Utilizzata per: utensili da taglio, stampi, matrici ed elementi di attrito.
Siliconatura
La siliconatura consiste nel saturare la superficie con silicio ad una temperatura di circa 1000 °C. Ciò porta alla formazione di siliciuri di ferro, che conferiscono resistenza all’ossidazione e alla corrosione ad alta temperatura, nonché una maggiore durezza e resistenza alla fatica. Utilizzato in metallurgia, in componenti esposti ad alte temperature e al contatto con scorie.
Trattamento termico e chimico dei metalli – sintesi
Il trattamento termico e chimico è uno degli strumenti più importanti nell’ingegneria dei materiali, in quanto consente di modificare in modo mirato le proprietà della superficie dei metalli senza alterarne la struttura interna. Grazie a processi quali la carbocementazione, la nitrurazione, la carbonitrurazione e la cromatura, è possibile ottenere una combinazione di elevata durezza superficiale, duttilità e resistenza interna.
Questi trattamenti aumentano la resistenza all’usura, alla corrosione, alla fatica e alle alte temperature, il che si traduce direttamente in una maggiore durata dei componenti di macchine e attrezzature. La scelta accurata del tipo di processo, dei parametri termici e del materiale di partenza consente agli ingegneri di ottimizzare i progetti in base alle condizioni operative effettive.
L’industria moderna non può funzionare senza metodi precisi di modifica delle superfici: ecco perché il trattamento termochimico rimane non solo un importante argomento scientifico, ma soprattutto uno strumento pratico per garantire la durata, l’affidabilità e la sicurezza delle strutture tecniche.
