Qual è la corretta profondità di penetrazione di un trattamento termico superficiale?

In generale, durante il trattamento termico superficiale, la profondità di penetrazione del trattamento negli strati superficiali dei metalli è compresa tra 0,3 e 1 millimetro. Anche se è possibile andare oltre questi valori con certi tipi di trattamenti superficiali, la profondità di penetrazione rimarrà limitata allo strato superficiale. Infatti, le caratteristiche del pezzo finale (durezza, resistenza all'usura, alla corrosione, all'attrito, ecc.) non dipendono solo dalla profondità di penetrazione, ma anche dalla sua uniformità (distribuzione omogenea su tutte le superfici del pezzo). Questa può variare a seconda del trattamento termochimico scelto.

La scelta del trattamento viene fatta sulla base di diversi parametri, tra cui:

• il tipo di materiale da trattare (tipo di lega metallica, contenuto di carbonio dell'acciaio, presenza di altri elementi di lega...),
• la durezza richiesta,
• l'uniformità e la profondità di penetrazione del trattamento (in generale, la nitrurazione dà strati più duri ma meno profondi della cementazione),
• il tempo di mantenimento ad alta temperatura (la cementazione è più veloce della nitrurazione),
• la forma e la dimensione delle parti.
   

Trattamenti termochimici: cementazione atmosferica

La cementazione è un processo che mira ad arricchire di carbonio una lega ferrosa (acciaio), riscaldandola ad alta temperatura (900°), in un'atmosfera ricca di carbonio che è normalmente generata dal cracking di un idrocarburo (per esempio il metanolo) nel forno. Gli atomi di carbonio sono poi trasferiti alle parti e si diffondono attraverso lo strato superficiale del metallo. Il trattamento è seguito da una tempra. Una volta completato questo lavoro, il metallo è più duro in superficie che nel nucleo. La profondità di penetrazione è di solito compresa tra 0,5 e 1 millimetro.

Trattamenti termochimici: nitrurazione

La nitrurazione è un processo lento (si protrae da alcune ore a un giorno intero) che mira ad aumentare sostanzialmente la durezza superficiale di un acciaio riscaldandolo in forno a una temperatura intermedia (leggermente superiore a 500 °C), in un'atmosfera ricca di atomi di azoto (N) attraverso la decomposizione dell'ammoniaca (NH3).

Queste condizioni favoriscono la diffusione degli atomi di azoto negli strati superficiali del metallo dove reagiscono con gli atomi di ferro per creare nitruri. La parte metallica subisce un indurimento superficiale uniforme con una profondità di penetrazione compresa tra 0,3 e 0,5 mm. Il pezzo metallico ha una resistenza all’usura, alla corrosione e alla fatica molto alta. Il trattamento non porta a sensibili distorsioni e non è necessaria la tempra. Rispetto alla cementazione, la nitrurazione è un processo molto più lento e lo strato nitrurato ha una resistenza inferiore alle sollecitazioni meccaniche.

Trattamenti termochimici: misto N + C

Questi trattamenti sono soluzioni miste che combinano i due tipi di trattamenti termochimici descritti sopra, al fine di ottenere pezzi con migliori proprietà meccaniche e chimiche e protezione dalla corrosione.

La nitrocarburazione è una modifica del processo di nitrurazione (si effettua quindi a una temperatura più bassa) tramite l'introduzione di due elementi reattivi N e C a partire da CH4/C3H8, poiché la temperatura del processo, ossia ~500° C, non è sufficiente per il cracking del metanolo e, quindi, per il suo utilizzo. L'indurimento superficiale è leggermente inferiore rispetto a quello della nitrurazione, ma in compenso è più veloce e può essere applicato ad acciai più debolmente legati e, quindi, meno costosi.

La carbonitrurazione è una modifica del processo di cementazione grazie all'aggiunta di ammoniaca come elemento reattivo per ottenere elementi N. Questo trattamento genera una maggiore durezza di superficie dell'acciaio e resistenza all'usura.