Trattamento termico di cementazione per ingranaggi: miglioramento di resistenza, durata e prestazioni

Nei moderni sistemi di trasmissione di potenza, gli ingranaggi sono tenuti a operare in condizioni estreme: coppia elevata, rotazione continua, carichi elevati, velocità variabili e lunghi cicli di lavoro. Gli acciai legati tradizionali, anche con una buona durezza intrinseca, spesso non riescono a resistere a tali applicazioni impegnative senza subire cedimenti superficiali, vaiolatura dei denti, abrasioni, usura e cricche da fatica. Per superare queste sfide, il trattamento termico diventa una fase essenziale nella produzione degli ingranaggi e, tra tutti i metodi,cementazionesi distingue come uno dei processi di indurimento superficiale più efficaci.

La cementazione (detta anche tempra) è una tecnica metallurgica che introduce carbonio nello strato superficiale degli ingranaggi in acciaio ad alta temperatura. Dopo la tempra, la superficie si trasforma in una dura cassa martensitica, mentre il nucleo mantiene tenacità e resistenza agli urti. Questa combinazione: duro all'esterno, tenace all'interno. Ecco perché gli ingranaggi cementati sono ampiamente utilizzati nelle trasmissioni automobilistiche, nei cambi industriali, nei macchinari pesanti, nelle attrezzature minerarie, nelle trasmissioni aerospaziali e nella robotica.

Cos'è la cementazione?

La cementazione è un trattamento termico per diffusione eseguito a temperature tipicamente comprese tra 880 °C e 950 °C. Durante il processo, gli ingranaggi vengono riscaldati in un'atmosfera ricca di carbonio. Gli atomi di carbonio diffondono nello strato superficiale dell'acciaio, aumentandone il contenuto di carbonio. Dopo il tempo di permanenza necessario, gli ingranaggi vengono temprati rapidamente per formare una cassa martensitica temprata.

La profondità di penetrazione del carbonio è detta profondità di cementazione e può essere controllata variando la temperatura, il tempo di mantenimento e il potenziale di carbonio. Generalmente, la profondità di cementazione desiderata varia da 0,8 mm a 2,5 mm, a seconda dell'applicazione, delle dimensioni dell'ingranaggio e della capacità di carico richiesta.

Perché gli ingranaggi hanno bisogno della cementazione?

La cementazione non si limita ad aumentare la durezza, ma migliora significativamente le prestazioni in condizioni di lavoro reali. I principali vantaggi includono:

1. Elevata resistenza all'usura
   La superficie temprata previene l'usura abrasiva, la corrosione, le microscheggiature e i danni da fatica superficiale.

2. Maggiore capacità di carico
   Gli ingranaggi cementati possono sopportare carichi più pesanti e trasmettere una coppia più elevata senza deformarsi.

3. Maggiore resistenza alla flessione dei denti
   Il nucleo morbido e duttile assorbe urti e impatti, riducendo il rischio di frattura dei denti.

4. Durata della fatica superiore
   Gli ingranaggi cementati possono funzionare per decine di migliaia di ore in condizioni di cicli elevati.

5. Riduzione dell'attrito e della generazione di calore
   Un innesto dei denti più fluido garantisce una trasmissione più silenziosa e più efficiente dal punto di vista energetico.

Grazie a questi vantaggi, la cementazione è diventata il trattamento termico standard perautomobilisticoingranaggi, soprattutto peringranaggi conici, ingranaggi elicoidali, corone dentate, differenziali e alberi di trasmissione.

Il processo di cementazione passo dopo passo

Un processo di cementazione completo comprende diverse fasi, ciascuna delle quali influisce sulle prestazioni finali:

1. Preriscaldamento e austenitizzazione

Gli ingranaggi vengono riscaldati fino alla temperatura di cementazione, dove l'acciaio si trasforma in austenite. Questa struttura consente al carbonio di diffondersi facilmente.

2. Diffusione del carbonio e formazione del caso

Gli ingranaggi sono mantenuti in un ambiente ricco di carbonio (gas, vuoto o agente cementante solido). Gli atomi di carbonio si diffondono verso l'interno, formando una struttura indurita dopo la tempra.

3. Tempra

Il raffreddamento rapido trasforma lo strato superficiale ad alto tenore di carbonio in martensite, estremamente dura e resistente all'usura.

4. Tempra

Dopo la tempra, è necessario il rinvenimento per ridurre la fragilità, migliorare la tenacità e stabilizzare la microstruttura.

5. Lavorazione finale / rettifica

Gli ingranaggi trattati termicamente vengono spesso sottoposti a rettifica o lappatura di finitura per ottenere una geometria precisa dei denti, un contatto uniforme e un controllo ottimale del rumore.

Tipi di cementazione per ingranaggi

Sono state sviluppate diverse tecnologie di cementazione, ciascuna con vantaggi unici.

Tra loro,cementazione sotto vuotoè sempre più preferito per gli ingranaggi di precisione grazie alla distribuzione uniforme della cassa, al rispetto dell'ambiente e alla bassa distorsione.

Selezione del materiale per la cementazione

Non tutti gli acciai sono adatti alla cementazione. I materiali ideali sono gli acciai legati a basso tenore di carbonio con buona temprabilità e tenacità a cuore.

Acciai da cementazione comuni:

• 16MnCr5

• 20CrMnTi

• Acciaio 8620 / 4320

• 18CrNiMo7-6

• SCM415 / SCM420

Questi acciai consentono una cementazione profonda mantenendo al contempo un nucleo resistente e duttile, perfetto per ingranaggi per impieghi gravosi.

Fattori di qualità negli ingranaggi cementati

Per ottenere prestazioni stabili, è necessario controllare diversi fattori critici:

1. Concentrazione di carbonio superficiale

2. Profondità effettiva del caso (ECD)

3. Livello di austenite residua

4. Distorsione e stabilità dimensionale

5. Uniformità della durezza (58–62 HRC sulla superficie)

Un processo di cementazione ben controllato garantisce che gli ingranaggi funzionino in modo affidabile per anni con una manutenzione minima.

Applicazioni degli ingranaggi cementati

La cementazione è ampiamente utilizzata nei settori in cui affidabilità, precisione e resistenza ai carichi elevati sono essenziali:

• Cambi e sistemi differenziali per autoveicoli

• Trattori, attrezzature minerarie e per impieghi gravosi

• Ingranaggi per robotica e automazione

• Riduttori per turbine eoliche

• Trasmissioni aerospaziali e turbine

• Sistemi di propulsione marina

Laddove gli ingranaggi debbano resistere a urti, pressioni e sollecitazioni rotazionali a lungo termine, la cementazione è la soluzione più affidabile.

Il trattamento termico di cementazione trasforma i normali ingranaggi in acciaio in componenti ad alte prestazioni in grado di resistere ad ambienti difficili. Il processo rinforza la superficie contro usura e fatica, preservando al contempo un nucleo interno tenace per la resistenza agli urti. Con l'evoluzione dei macchinari verso una maggiore densità di potenza ed efficienza, gli ingranaggi cementati rimarranno una tecnologia chiave nell'ingegneria moderna e nei sistemi di trasmissione di potenza.