--- title: "Metodi di cementazione dell’acciaio | Steel Equivalents" description: "L’indurimento superficiale non si riduce a un singolo ciclo di forno, a un grado di lega o a una microstruttura." canonical: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio language: it robots: index, follow og_type: article type: wiki-article language_alternates: en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/case-hardening-methods-for-steel.md cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepelné-zpracování/metody-chemicko-tepelného-zušlechťování-oceli.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/verfahren-zur-einsatzhärtung-von-stahl.md es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/métodos-de-endurecimiento-superficial-del-acero.md fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/méthodes-de-durcissement-superficiel-de-l-acier.md hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/az-acél-felületi-edzésének-módszerei.md it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio.md nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/methoden-voor-oppervlakteharding-van-staal.md pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obróbka-cieplna/metody-nawęglania-stali.md pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/métodos-de-endurecimento-superficial-do-aço.md ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/методы-поверхностного-упрочнения-стали.md tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çelik-için-yüzey-sertleştirme-yöntemleri.md zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢的表面硬化方法.md ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼の表面硬化法.md ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/طرق-التقسية-السطحية-للفولاذ.md ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강철의-표면-경화-방법.md pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/métodos-de-endurecimento-superficial-para-aço.md hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-के-सतह-कठोरीकरण-की-विधियाँ.md content_hash: sha256:f965d74e855f27202d3d0632f00a660277ea62c74be436265f9e6a75697500a9 generated: 2026-09-25 --- > **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page, > served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML. > Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio > Canonical URL: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio > Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi > Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything > below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. 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[Come Carbonio, Azoto e Calore Modificano la Superficie](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#come-carbonio-azoto-e-calore-modificano-la-superficie "Come Carbonio, Azoto e Calore Modificano la Superficie") - [Cementazione: strati arricchiti di carbonio seguiti da tempra](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#cementazione-strati-arricchiti-di-carbonio-seguiti-da-tempra "Cementazione: strati arricchiti di carbonio seguiti da tempra") - [Cementazione carbonitrurante: carbonio e azoto nell’austenite](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#cementazione-carbonitrurante-carbonio-e-azoto-nell-austenite "Cementazione carbonitrurante: carbonio e azoto nell’austenite") - [Nitrurazione: diffusione dell’azoto senza cementazione convenzionale](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#nitrurazione-diffusione-dell-azoto-senza-cementazione-convenzionale "Nitrurazione: diffusione dell’azoto senza cementazione convenzionale") - 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[Profondità dello Strato, Profili di Durezza e Verifica secondo le Norme ISO](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#profondità-dello-strato-profili-di-durezza-e-verifica-secondo-le-norme-iso "Profondità dello Strato, Profili di Durezza e Verifica secondo le Norme ISO") - [Metallografia: interpretazione dello strato indurito](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#metallografia-interpretazione-dello-strato-indurito "Metallografia: interpretazione dello strato indurito") - [Tribologia e tribocorrosione degli acciai con strato superficiale indurito](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#tribologia-e-tribocorrosione-degli-acciai-con-strato-superficiale-indurito "Tribologia e tribocorrosione degli acciai con strato superficiale indurito") - [Deformazione, tensioni residue e controllo del processo](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#deformazione-tensioni-residue-e-controllo-del-processo "Deformazione, tensioni residue e controllo del processo") - [Come specificare un trattamento di indurimento superficiale](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#come-specificare-un-trattamento-di-indurimento-superficiale "Come specificare un trattamento di indurimento superficiale") - [Quadro decisionale comparativo per i metodi di indurimento superficiale](/it/wiki/trattamento-termico/metodi-di-cementazione-dell-acciaio#quadro-decisionale-comparativo-per-i-metodi-di-indurimento-superficiale "Quadro decisionale comparativo per i metodi di indurimento superficiale") ## Cosa significa l’indurimento superficiale nella metallurgia degli acciai L’indurimento superficiale non consiste in un unico ciclo di forno, in una sola qualità di lega o in una specifica microstruttura. ASM International lo definisce come il trattamento di un materiale ferroso “in modo che il suo strato superficiale, o strato indurito, diventi sostanzialmente più duro del nucleo”. Questa definizione è volutamente ampia. Descrive il risultato — una differenza di durezza tra superficie e interno — non un particolare metodo per ottenerlo. La distinzione è importante perché i componenti in acciaio spesso devono possedere due proprietà apparentemente contraddittorie. Le superfici di lavoro devono resistere all’impronta, all’usura adesiva, all’usura abrasiva e alla fatica da contatto, mentre l’interno deve assorbire gli urti e tollerare la flessione senza fratturarsi improvvisamente. Una superficie dura sopra un nucleo più tenace può soddisfare entrambi i requisiti in modo più efficace rispetto a una sezione uniformemente indurita. Ingranaggi, camme, alberi, perni e componenti di cuscinetti dipendono comunemente da questa separazione delle funzioni. Gradiente di durezza | Famiglia di metodi | Chimica superficiale | Struttura indurita principale | Cementazione | |---|---|---|---| | Aggiunta di carbonio | Strato martensitico ad alto tenore di carbonio | Profondità efficace dello strato e metallografia | Carbonitrurazione | | Aggiunta di carbonio e azoto | Strato martensitico | Profilo di durezza e austenite trattenuta | Nitrurazione | | Aggiunta di azoto | Zona di diffusione e nitruri di lega | Strato composto e profondità della zona di diffusione | Tempra a induzione | | Nessuna variazione sostanziale della composizione | Martensite localizzata | Spessore dello strato indurito e zona di transizione | I metodi di cementazione differiscono per chimica, trasformazione di fase e verifica. | Il processo scelto determina il modo in cui viene creata la differenza di durezza. Alcuni trattamenti modificano la composizione chimica della superficie mediante diffusione. Altri mantengono la composizione originaria e trasformano soltanto una regione prossima alla superficie attraverso un riscaldamento e un raffreddamento rapidi e localizzati. La profondità dello strato indurito, le fasi, le tensioni residue, la deformazione e il metodo di verifica risultanti possono differire sostanzialmente. ![Metodi di cementazione dell’acciaio](/images/uploads/137170a4-ed45-42f3-bc79-d769e9b24634/wiki-inline-a-cross-sectional-steel-specimen-comparing-carburized-nitrided-nitrocarburized-a-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/137170a4-ed45-42f3-bc79-d769e9b24634/wiki-inline-a-cross-sectional-steel-specimen-comparing-carburized-nitrided-nitrocarburized-a-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Metodi di cementazione dell’acciaio")Different treatments create different layer structures and hardness gradients. ### Strato indurito, nucleo e gradiente di durezza Lo **strato indurito** è la regione superficiale trattata la cui durezza e microstruttura differiscono da quelle dell’interno. Il **nucleo** è il materiale situato al di sotto di tale regione. “Nucleo” non significa necessariamente morbido o non indurito: un acciaio da cementazione a basso tenore di carbonio può conservare, dopo la tempra, un interno relativamente tenace costituito da martensite a basso tenore di carbonio o da martensite rinvenuta, mentre un acciaio legato nitrurato può avere un nucleo trattato termicamente già resistente prima della nitrurazione. Variazione graduale della durezza dalla superficie trattata verso il nucleo non alterato, anziché un confine netto. **Variazione graduale della durezza dalla superficie trattata verso il nucleo non alterato, anziché un confine netto.** Nota sulla misurazione Tra la superficie e il nucleo è generalmente presente un **gradiente di durezza**, non un confine netto. Un componente cementato può presentare un elevato tenore di carbonio in superficie, martensite nelle zone più esterne, austenite residua e carburi, con una durezza che diminuisce man mano che la concentrazione di carbonio si riduce verso la composizione originaria. Un componente nitrurato può contenere un sottile strato composto di nitruri di ferro sopra una zona di diffusione dell’azoto, seguita dal nucleo non interessato. Un componente indurito per induzione può mostrare martensite in superficie, una regione di transizione parzialmente trasformata e, al di sotto, la struttura rinvenuta originaria. #### Identificare sempre se il valore riportato è la profondità efficace dello strato, la profondità totale dello strato, lo spessore dello strato composto, la profondità della zona di diffusione o un’altra grandezza definita. Durezza relativa Di conseguenza, la “profondità dello strato indurito” deve essere collegata a una regola di misurazione dichiarata. La **profondità efficace dello strato indurito** è normalmente la distanza dalla superficie fino a un limite di durezza specificato, misurata lungo un profilo definito. Per gli acciai cementati e temprati, la norma ISO 2639:2002 fornisce un metodo per determinare e verificare la profondità dello strato indurito; la sua applicabilità utilizza la condizione secondo cui la durezza è inferiore a 450 HV 1 a una distanza pari a tre volte la profondità dello strato indurito. La scala di durezza, il carico di prova, la preparazione della superficie, la direzione di misurazione e la posizione influenzano tutti il valore riportato. La **profondità totale dello strato indurito** è una grandezza diversa. Si riferisce all’intero spessore dello strato modificato chimicamente o strutturalmente, che può estendersi oltre il punto utilizzato per determinare la profondità efficace in base alla durezza. L’esame metallografico, i profili di microdurezza, l’analisi chimica o l’identificazione delle fasi possono quindi produrre diverse “profondità” per lo stesso componente. Una specifica che riporti soltanto “profondità dello strato indurito” è incompleta, a meno che non identifichi la definizione e il metodo di prova. La norma ISO 18203:2026 riguarda la misurazione dello spessore degli strati induriti superficialmente prodotti mediante tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser, nonché mediante carbonitrurazione, cementazione e nitrurazione. Essa rafforza un punto fondamentale: lo spessore dello strato è una caratteristica misurata, non una descrizione visiva di una superficie imbrunita. ### Perché la durezza superficiale non è l’intera specifica La durezza superficiale è utile, ma da sola non può prevedere il comportamento in esercizio. Uno strato sottile può registrare un elevato valore Vickers e tuttavia cedere sotto contatti hertziani ripetuti perché il materiale di supporto è troppo tenero. Al contrario, una durezza misurata più bassa può garantire buone prestazioni quando lo strato è sufficientemente profondo, adeguatamente sostenuto dal nucleo e sottoposto a una condizione favorevole di tensione residua. Superficie Meccanismi del trattamento Il profilo di durezza deve essere valutato insieme alla resistenza a trazione del nucleo, alla tenacità e al precedente trattamento termico. Anche la microstruttura superficiale è importante. Gli acciai cementati e carbonitrurati sviluppano comunemente martensite dopo austenitizzazione e tempra, ma quantità eccessive di austenite residua, carburi grossolani, ossidazione o ossidazione intergranulare possono modificare la stabilità dimensionale e le prestazioni a fatica. Gli acciai nitrurati e nitrocarburati possono contenere uno strato composto e una zona di diffusione il cui spessore, porosità, equilibrio delle fasi e distribuzione dell’azoto influenzano attrito, usura e corrosione. Tali caratteristiche non possono essere dedotte da un singolo valore di durezza. Temprabilità Limited evidence La tensione residua costituisce un’altra specifica distinta. La tempra può produrre tensioni di trazione o di compressione a causa di trasformazioni e contrazioni termiche non uniformi. Anche i trattamenti di diffusione possono generare tensioni, perché gli atomi aggiunti modificano le dimensioni del reticolo e perché gli strati composti e le zone di diffusione si formano a velocità diverse. Una tensione residua di compressione in prossimità della superficie può contribuire a migliorare la resistenza all’innesco delle cricche, ma tensioni eccessive, deformazioni o un supporto insufficiente possono causare altri cedimenti. Il segno e l’ampiezza devono essere misurati o controllati mediante un processo convalidato, anziché essere dati per scontati in base al nome del trattamento. Anche la deformazione richiede un proprio piano di controllo. La temperatura, lo spessore della sezione, la geometria, la severità della tempra, la progettazione degli attrezzi di fissaggio, la composizione della lega e il rinvenimento successivo al trattamento influenzano tutti la variazione dimensionale. Due componenti con la stessa profondità efficace dello strato indurito e la stessa durezza superficiale possono presentare valori diversi di eccentricità, errore del profilo del dente o aumento del diametro del foro. La verifica può quindi richiedere profili di durezza, sezioni metallografiche, controllo dimensionale, misurazione dell’austenite residua e analisi delle tensioni residue. ### Indurimento superficiale termochimico e termico L’indurimento superficiale termochimico modifica la composizione della superficie introducendo carbonio, azoto o entrambi. Un manuale del National Bureau of Standards statunitense identifica la cementazione, la nitrurazione e la carbonitrurazione come appartenenti a questa classificazione di base. Nella **cementazione**, il carbonio diffonde in un acciaio a basso tenore di carbonio, creando una superficie ad alto tenore di carbonio sopra un interno a tenore più basso. Il componente viene generalmente quindi austenitizzato e temprato, in modo che la superficie arricchita formi martensite dura. La **carbonitrurazione** introduce carbonio e azoto nell’austenite e produce normalmente uno strato indurito martensitico. La **nitrurazione** segue un percorso metallurgico diverso. L’azoto diffonde in un acciaio idoneo e forma nitruri di lega e nitruri di ferro, generalmente senza il ciclo di austenitizzazione e tempra tipico della cementazione. La **nitrocarburazione** introduce carbonio e azoto nella ferrite al di sotto della temperatura critica, producendo uno strato composto e una sottostante zona di diffusione. Deve quindi essere distinta dalla carbonitrurazione, nonostante la somiglianza dei nomi. La nitrocarburazione ferritica si basa sullo stesso principio fondamentale. Altri metodi termochimici comprendono la cianurazione, la borurazione e la cromizzazione. Le specie diffondenti e i prodotti di reazione differiscono, perciò i loro profili di durezza, gli spessori degli strati, i limiti di temperatura, i rischi di deformazione e il comportamento alla corrosione o all’usura non possono essere considerati intercambiabili senza adeguata valutazione. Gli studi tribologici associano borurazione, cromizzazione, cementazione, nitrurazione, nitrocarburazione e carbonitrurazione a variazioni di usura, attrito e tribocorrosione, ma la direzione e l’entità di tali variazioni dipendono dalla qualità dell’acciaio, dalla controfaccia, dal carico, dall’ambiente e dalla struttura dello strato. L’indurimento superficiale termico non aggiunge alla superficie un elemento indurente. La tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser riscalda localmente la composizione esistente dell’acciaio al di sopra di una temperatura di trasformazione e si basa poi su un’autotempra rapida o su un raffreddamento controllato per formare martensite. La norma ISO 18203:2026 tratta questi metodi insieme a diversi trattamenti termochimici. Il relativo strato indurito è quindi una zona trasformata, anziché uno strato arricchito mediante diffusione, sebbene siano comunque presenti un gradiente di durezza e una regione di transizione. La scelta pratica è pertanto una decisione metallurgica, non una questione di sinonimi. La resistenza al contatto richiesta, la tenacità del nucleo, la deformazione ammissibile, il profilo obiettivo, la condizione delle tensioni residue e il metodo di verifica devono essere tutti compatibili con il processo. Cementazione, nitrurazione, carbonitrurazione, nitrocarburazione e indurimento termico localizzato possono produrre acciaio “indurito superficialmente”, ma non producono lo stesso strato indurito. ## Come Carbonio, Azoto e Calore Modificano la Superficie ASM International definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso in modo tale che il suo strato superficiale, o strato indurito, diventi sostanzialmente più duro del cuore. Questa definizione descrive un risultato, non un singolo processo. Un ingranaggio cementato, un albero nitrurato, un perno carbonitrurato e una rotaia indurita per induzione possono avere tutti una superficie più dura, ma la loro chimica, le fasi, i profili di profondità, le tensioni e i modi di cedimento sono differenti. #### Cementazione Il carbonio diffonde nell’acciaio a basso tenore di carbonio prima dell’austenitizzazione e della tempra. Nitrurazione L’azoto diffonde nell’acciaio idoneo, generalmente al di sotto della temperatura critica. Carbonitrurazione Carbonio e azoto entrano nell’austenite prima della tempra. Nitrocarburazione Carbonio e azoto diffondono nella ferrite al di sotto della temperatura critica. Indurimento termico La composizione esistente dell’acciaio viene austenitizzata localmente e trasformata in martensite. Struttura o fase I trattamenti termochimici aggiungono carbonio, azoto o entrambi alla superficie dell’acciaio. La cementazione aggiunge carbonio; la nitrurazione aggiunge azoto; la carbonitrurazione e la nitrocarburazione aggiungono carbonio e azoto in condizioni diverse di fase e temperatura. I metodi termici, inclusi l’indurimento alla fiamma, per induzione, a fascio elettronico e laser, trattati dalla norma ISO 18203:2026, modificano la composizione esistente riscaldando e trasformando la superficie, anziché fornire una concentrazione sostanziale nuova di atomi interstiziali. ![Metodi di cementazione dell’acciaio](/images/uploads/47d34adb-89ba-43c5-b186-b75221d1fb8f/wiki-inline-carbon-and-nitrogen-atoms-diffusing-from-the-surface-into-a-steel-cross-section-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/47d34adb-89ba-43c5-b186-b75221d1fb8f/wiki-inline-carbon-and-nitrogen-atoms-diffusing-from-the-surface-into-a-steel-cross-section-1920x1094.avif "Ingrandisci immagine — Metodi di cementazione dell’acciaio")Diffusion creates a gradual change in composition from the surface toward the core. ### Diffusione e gradienti di concentrazione Il carbonio e l’azoto entrano nell’acciaio attraverso la superficie e si muovono lungo gradienti di concentrazione. Gli atomi occupano siti interstiziali tra gli atomi di ferro, e la velocità di movimento dipende fortemente dalla temperatura, dalla struttura cristallina, dal tempo, dalla composizione della lega e dal potenziale chimico sulla superficie. In forma semplificata, le leggi di Fick descrivono il flusso e l’evoluzione del profilo di concentrazione: un gradiente accentuato tra superficie e cuore determina una penetrazione iniziale rapida, mentre il gradiente diventa meno accentuato con lo sviluppo dello strato indurito. L’atmosfera di processo determina la condizione superficiale. Nella cementazione, l’attività del carbonio nell’atmosfera del forno stabilisce una superficie austenitica ad alto tenore di carbonio sopra un interno a tenore di carbonio inferiore. La superficie non acquisisce istantaneamente una composizione uniforme. Al contrario, la concentrazione di carbonio generalmente diminuisce con la distanza dall’esterno, e la forma di tale profilo dipende dalla temperatura, dal potenziale di carbonio, dal tempo di esposizione e dalle reazioni all’interfaccia gas-metallo. Il cuore rimane vicino al tenore di carbonio originario, salvo che il trattamento sia eccezionalmente lungo o la sezione sia di piccole dimensioni. La carbonitrurazione introduce sia carbonio sia azoto mentre l’acciaio è austenitico. L’azoto può influire sul trasferimento del carbonio, sulla temprabilità, sull’austenite residua e sulla precipitazione dei nitruri di lega. Poiché l’azoto è spesso concentrato vicino all’esterno, il suo profilo può essere più accentuato di quello del carbonio. Il risultato non è semplicemente “acciaio cementato con una quantità aggiuntiva di azoto”. La nitrurazione e la nitrocarburazione ferritica operano in modo diverso. Normalmente vengono eseguite al di sotto della temperatura critica, dove la matrice rimane ferritica. Il carbonio e l’azoto diffondono attraverso la ferrite, ma la ferrite ha una solubilità del carbonio molto inferiore a quella dell’austenite. L’azoto reagisce quindi facilmente con il ferro e con gli elementi di lega, producendo nitruri o carbonitruri, mentre sulla superficie può formarsi uno strato composto sottile. Al di sotto di esso si trova una zona di diffusione contenente azoto disciolto, precipitati o entrambi. La profondità e le proprietà di questa zona non possono essere dedotte dalla profondità di uno strato cementato. La diffusione spiega anche perché i confini netti siano insoliti. Le sezioni metallurgiche mostrano normalmente una variazione graduale della durezza e della composizione, non un piano che separi lo “strato indurito” dal “cuore”. La profondità dello strato indurito è quindi una misurazione specificata sulla base di una soglia di proprietà. La norma ISO 2639:2002 si applica agli strati cementati e temprati e utilizza una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a una profondità pari a tre volte la profondità dello strato indurito. La norma ISO 18203:2026 tratta la misurazione dello spessore degli strati prodotti, tra gli altri metodi, dall’indurimento termico, dalla carbonitrurazione, dalla cementazione e dalla nitrurazione. Il metodo di misurazione deve corrispondere al trattamento e alla proprietà specificata. ![Metodi di cementazione dell’acciaio](/images/uploads/202cb75c-084d-413f-9c09-14887a01398c/wiki-inline-a-phase-transformation-schematic-showing-austenite-ferrite-martensite-and-an-iro-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/202cb75c-084d-413f-9c09-14887a01398c/wiki-inline-a-phase-transformation-schematic-showing-austenite-ferrite-martensite-and-an-iro-1920x1288.avif "Ingrandisci immagine — Metodi di cementazione dell’acciaio")Austenitic treatments usually form martensite after quenching; nitriding modifies ferrite below the critical temperature. ### Austenite, ferrite, martensite e strati composti Sequenza della carbonitrurazione | Ruolo nella cementazione | Metodi associati | Austenite | |---|---|---| | Scioglie il carbonio e favorisce l’arricchimento prima della tempra | Cementazione e carbonitrurazione | Ferrite | | Matrice per la diffusione al di sotto della temperatura critica | Nitrurazione e nitrocarburazione | Martensite | | Prodotto di trasformazione duro dopo il raffreddamento rapido | Cementazione, carbonitrurazione e indurimento termico | Strato composto | | Strato di reazione contenente nitruri o carbonitruri di ferro | Nitrurazione e nitrocarburazione | La condizione della fase determina se un trattamento è basato sulla diffusione, sulla trasformazione o su entrambe. | L’austenite è la forma cubica a facce centrate del ferro, stabile al di sopra della temperatura critica pertinente. Può dissolvere una quantità di carbonio sostanzialmente maggiore rispetto alla ferrite, la forma cubica a corpo centrato stabile alle temperature inferiori. Questa differenza determina la distinzione fondamentale tra carbonitrurazione e nitrocarburazione. Durante la cementazione o la carbonitrurazione, l’acciaio viene riscaldato nell’intervallo austenitico. Il carbonio, oppure il carbonio insieme all’azoto, diffonde in questa fase, e la superficie diventa chimicamente diversa dal cuore. Durante il raffreddamento, l’austenite può trasformarsi in perlite, bainite o martensite, a seconda della velocità di raffreddamento e della temprabilità. L’indurimento superficiale industriale utilizza generalmente la tempra, affinché la superficie arricchita si trasformi in gran parte in martensite. La martensite è una struttura tetragonale a corpo centrato, distorta e sovrasatura; la sua durezza deriva dal carbonio intrappolato, dalla deformazione reticolare e dall’elevata densità di difetti di trasformazione. Anche il cuore può trasformarsi durante la tempra, ma il suo tenore di carbonio inferiore gli conferisce generalmente una durezza martensitica più bassa e una maggiore tenacità. Elementi di lega come cromo, nichel, molibdeno e manganese modificano la cinetica delle trasformazioni e la velocità di raffreddamento necessaria. Un cuore a basso tenore di carbonio può quindi rimanere tenace mentre una superficie ad alto tenore di carbonio diventa dura, purché il ciclo termico e le dimensioni della sezione siano controllati. La nitrocarburazione non è un ciclo di carbonitrurazione a basso dosaggio. Si svolge nella ferrite al di sotto della temperatura critica, quindi non prevede una fase intenzionale di austenitizzazione e normalmente non produce uno strato martensitico generato dalla tempra. La superficie può contenere uno strato composto di nitruro di ferro, spesso chiamato strato bianco, sopra una zona di diffusione contenente azoto. Le fasi esatte dipendono dalla temperatura, dalla composizione chimica del gas o del sale, dai potenziali di carbonio e di azoto e dalla composizione dell’acciaio. I nitruri di lega possono formarsi all’interno della zona di diffusione, aumentando la durezza senza produrre la stessa struttura martensitica riscontrabile dopo la carbonitrurazione. Anche la nitrurazione può produrre uno strato composto e una zona di diffusione, mentre la borurazione può creare boruri di ferro o di lega e la cromizzazione può modificare la superficie con fasi ricche di cromo. Questi strati differiscono per spessore, fragilità, adesione, gradiente di durezza e risposta ai carichi di contatto. Un singolo valore di durezza non è sufficiente per identificarli. L’indurimento termico crea un’altra struttura. Il riscaldamento per induzione, alla fiamma, laser o a fascio elettronico porta soltanto la superficie selezionata allo stato austenitico, mentre l’acciaio sottostante rimane più freddo. Un’autotempra rapida o un raffreddamento applicato esternamente trasforma quindi in martensite la regione austenitizzata. Non è necessaria alcuna diffusione del carbonio, perciò la profondità indurita è determinata principalmente dal modello di riscaldamento, dalla conducibilità termica, dai parametri di frequenza o del fascio, dal tempo di permanenza e dalle condizioni di raffreddamento. ### Tempra, rinvenimento e tensioni di trasformazione La tempra congela la condizione ad alta temperatura, controllata dalla diffusione, in una struttura non in equilibrio. Nell’acciaio cementato e carbonitrurato, la superficie può contenere martensite ad alto tenore di carbonio, martensite a tenore di carbonio inferiore nel cuore e austenite residua se il tenore di carbonio abbassa le temperature di inizio e di fine della formazione della martensite. A seconda della lega e del controllo del processo, possono inoltre rimanere o precipitare carburi. L’austenite residua può trasformarsi successivamente durante l’esercizio o la rettifica, causando variazioni dimensionali. Il raffreddamento non è meccanicamente neutro. La superficie si raffredda e si contrae prima dell’interno più caldo, creando tensioni termiche. La trasformazione aggiunge un’ulteriore deformazione, perché l’austenite si espande quando diventa martensite. Il modello finale delle tensioni residue dipende dalla sequenza delle temperature nella sezione, dai gradienti di carbonio e di azoto, dalla frazione di martensite, dalla geometria e dalla severità della tempra. Una tensione superficiale di compressione può contribuire alla resistenza ad alcune cricche di fatica, ma una distorsione eccessiva, cricche da tempra o una tensione di trazione in una posizione critica possono vanificare il trattamento previsto. Il rinvenimento riscalda nuovamente l’acciaio temprato al di sotto dell’intervallo austenitico. Riduce la fragilità, allevia una parte delle tensioni di tempra e consente al carbonio di fuoriuscire dalla martensite sovrasatura. La martensite rinvenuta risultante è meno dura della martensite non rinvenuta, ma generalmente più stabile e più tollerante al danneggiamento. Il rinvenimento può inoltre modificare l’austenite residua e precipitare carburi. Per i componenti nitrurati e nitrocarburati ferritici è necessaria una prospettiva diversa: le loro zone di diffusione e i loro strati composti non vengono creati dalla tempra, e un riscaldamento eccessivo successivo al trattamento può ingrossare i precipitati, modificare la chimica dello strato o ridurre la durezza. Lo strato indurito finale è quindi il risultato della chimica, della diffusione, della stabilità delle fasi, del riscaldamento, del raffreddamento e dell’evoluzione delle tensioni. La verifica dovrebbe riportare più della sola durezza superficiale: la profondità misurata dello strato indurito, il profilo di durezza, la microstruttura, lo spessore dello strato composto ove applicabile, l’austenite residua, la distorsione e le tensioni residue possono determinare se il trattamento soddisfa i requisiti di esercizio. ## Cementazione: strati arricchiti di carbonio seguiti da tempra ### Principio della cementazione La cementazione è un trattamento termochimico nel quale il carbonio penetra nella superficie di un acciaio a basso tenore di carbonio mentre l’acciaio viene mantenuto a una temperatura alla quale può formarsi l’austenite. Il trattamento crea una superficie ad alto tenore di carbonio sopra un nucleo a tenore di carbonio inferiore; non si tratta quindi semplicemente di un’operazione di riscaldamento né, di per sé, del ciclo completo di tempra. Lo strato arricchito viene normalmente austenitizzato e successivamente temprato, affinché il suo tenore di carbonio possa produrre martensite. ASM International definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso in modo che il suo strato superficiale, o strato cementato, diventi sostanzialmente più duro del nucleo. La cementazione ottiene questa differenza modificando la composizione superficiale prima della trasformazione. Il potenziale di carbonio dell’atmosfera del forno, del bagno di sali o del mezzo contenente carbonio viene mantenuto al di sopra dell’attività del carbonio sulla superficie dell’acciaio. Il carbonio si dissolve quindi sulla superficie e diffonde verso l’interno. La sua concentrazione diminuisce con la distanza dalla superficie, producendo un gradiente di carbonio anziché una separazione netta. Il gradiente è importante. In prossimità della superficie, il tenore di carbonio può essere sufficientemente elevato da produrre martensite ad alto tenore di carbonio dopo la tempra. Più in profondità, la composizione originaria a basso tenore di carbonio rimane in gran parte invariata, sebbene subisca lo stesso ciclo termico. Il componente risultante può combinare una superficie dura e resistente all’usura con un nucleo più tenace e maggiormente capace di tollerare i danneggiamenti. Questa configurazione spiega perché la cementazione venga utilizzata per componenti quali ingranaggi, alberi scanalati, rulli, boccole e altri elementi soggetti a sollecitazioni di contatto, ma non significa che ogni componente cementato presenti lo stesso comportamento in termini di usura, fatica, attrito o corrosione. AISI 8620, AISI 4320 e AISI 9310 sono esempi noti di acciai legati a basso tenore di carbonio utilizzati nella pratica della cementazione, ma una designazione, da sola, non stabilisce la profondità dello strato cementato, il profilo di durezza o il risultato in termini di distorsione. Il tenore di elementi di lega dell’acciaio modifica la temprabilità, la stabilità dei carburi, le temperature di trasformazione, la risposta al rinvenimento e le variazioni dimensionali. Nichel, cromo e molibdeno possono favorire la tempra del nucleo, mentre un tenore eccessivo di carbonio superficiale o un equilibrio inadeguato degli elementi di lega possono aumentare l’austenite trattenuta e la formazione di carburi. Uno strato cementato può contenere martensite ad alto tenore di carbonio, austenite trattenuta, carburi e regioni di transizione. | Caratteristica del processo | Aspetto da controllare | Cementazione in atmosfera gassosa | |---|---|---| | Atmosfera controllata del forno contenente carbonio | Potenziale di carbonio, flusso del gas e uniformità del forno | Cementazione sotto vuoto | | Iniezione di idrocarburi a bassa pressione | Ciclo di iniezione e scelta della tempra | Cementazione in cassetta | | Il composto contenente carbonio circonda il pezzo | Controllo dell’atmosfera meno diretto | I cicli di cementazione utilizzano metodi diversi per fornire e controllare il carbonio. | I mezzi di cementazione comprendono i processi in gas, sotto vuoto e in cassetta. La cementazione in gas controlla comunemente un’atmosfera contenente monossido di carbonio, biossido di carbonio, idrogeno, metano e altri prodotti idrocarburici. La cementazione sotto vuoto utilizza l’iniezione di idrocarburi a bassa pressione ed è seguita da tempra in gas o in olio, a seconda dell’impianto e del componente. Nella cementazione in cassetta, il componente viene circondato da una sostanza contenente carbonio, storicamente comprendente carbone di legna con un attivatore, sebbene il controllo del processo sia meno diretto rispetto a quello ottenibile in un’atmosfera di forno monitorata. La temperatura e il tempo determinano il profilo di carbonio. Una temperatura più elevata accelera generalmente la diffusione, ma aumenta anche la crescita dei grani e può accrescere la distorsione. Un’esposizione più lunga aumenta la profondità dello strato solo gradualmente, poiché, in condizioni semplificate, la distanza di diffusione è approssimativamente correlata alla radice quadrata del tempo. I profili effettivi dipendono dal potenziale di carbonio, dagli elementi di lega, dall’uniformità del forno, dalle condizioni superficiali e dalle condizioni al contorno in corrispondenza di spigoli, fori e zone mascherate. Una “profondità dello strato” specificata ha quindi significato solo quando ne sono indicate la definizione e il metodo di misurazione. ### Austenitizzazione, tempra e rinvenimento Dopo che il carbonio è penetrato nella superficie, l’acciaio deve generalmente essere sottoposto a un ciclo di tempra. In un processo di tempra diretta, la cementazione viene eseguita alla temperatura di austenitizzazione e il componente viene temprato direttamente a partire da tale temperatura. In un processo di doppia tempra o di riaustenitizzazione, il componente viene raffreddato dopo la cementazione e quindi riscaldato nuovamente, talvolta dapprima per affinare il nucleo e successivamente per temprare lo strato cementato. Il ciclo prescelto dipende dal grado di acciaio, dalle dimensioni della sezione, dalle proprietà richieste per il nucleo, dal controllo della dimensione dei grani e dai limiti di distorsione. L’austenite dissolve il carbonio e consente alla superficie arricchita di reagire in modo diverso dal nucleo a basso tenore di carbonio durante il raffreddamento. Se la tempra è sufficientemente severa e il percorso termico evita un’eccessiva formazione di prodotti di trasformazione, lo strato cementato si trasforma principalmente in martensite. Anche il nucleo può formare martensite, ma il suo tenore di carbonio inferiore gli conferisce una durezza dopo tempra più bassa e, in generale, una maggiore tenacità. La temprabilità della lega determina l’estensione di tale trasformazione. Una sezione spessa o una tempra insufficiente possono lasciare bainite, ferrite o perlite nelle regioni destinate a sostenere il carico. #### Una tempra energica può ridurre i prodotti di trasformazione teneri indesiderati, ma può anche aumentare le cricche e la variazione dimensionale. Selezionare l’intensità della tempra in funzione dell’acciaio, delle dimensioni della sezione, della geometria e del limite di distorsione. Ciclo di cementazione La severità della tempra deve essere controllata, non massimizzata. Olio, soluzione polimerica, gas pressurizzato e altri mezzi di tempra asportano il calore a velocità diverse, mentre l’agitazione modifica le condizioni locali di raffreddamento. Una tempra molto severa può ridurre i prodotti indesiderati di trasformazione tenera, ma può anche aumentare le tensioni termiche e di trasformazione, accrescendo il rischio di cricche e variazioni dimensionali. La tempra interrotta, a stadi o in gas pressurizzato può ridurre le variazioni dimensionali in determinate geometrie, ma nessun mezzo di tempra è universalmente adatto. Il rinvenimento segue la tempra. Il suo scopo è ridurre la fragilità e l’elevato stato di tensione residua della martensite dopo tempra, stabilendo al contempo la durezza e la stabilità dimensionale richieste. Il rinvenimento non ripristina la condizione originaria a basso tenore di carbonio. Lo strato ricco di carbonio rimane chimicamente distinto e la sua risposta può differire da quella del nucleo. La temperatura e il tempo di rinvenimento influenzano la precipitazione dei carburi, la decomposizione della martensite, la stabilità dell’austenite trattenuta e la durezza finale. Il rinvenimento a bassa temperatura è comune quando è richiesta un’elevata durezza dello strato cementato, ma non sostituisce la specificazione della microstruttura completa e del profilo di durezza. Il controllo del processo deve inoltre affrontare la crescita dei grani di austenite. Le temperature di cementazione sono sufficientemente elevate affinché un’esposizione prolungata possa ingrossare i grani preesistenti di austenite, in particolare se l’acciaio non contiene adeguate aggiunte affinanti del grano o se il ciclo è controllato in modo non corretto. I grani grossolani possono ridurre la tenacità e modificare il comportamento di trasformazione. Un nuovo riscaldamento a una temperatura inferiore a quella originaria di cementazione può affinare la struttura, ma aggiunge un ulteriore ciclo termico e un’altra possibilità di distorsione. ### Microstruttura, austenite trattenuta e distorsione Austenite trattenuta Strong evidence Uno strato cementato non è definito dalla sola martensite. Un esame microstrutturale pratico può evidenziare martensite ad alto tenore di carbonio, austenite trattenuta, carburi e regioni di transizione nelle quali il tenore di carbonio e la durezza diminuiscono verso il nucleo. La proporzione e la morfologia di ciascun costituente dipendono dal potenziale di carbonio superficiale, dalla temperatura, dalla composizione della lega, dalla velocità di raffreddamento e dal rinvenimento. Austenite che rimane non trasformata dopo la tempra perché le sue temperature di trasformazione sono sufficientemente abbassate dalla composizione e dalla storia di raffreddamento. **Austenite che rimane non trasformata dopo la tempra perché le sue temperature di trasformazione sono sufficientemente abbassate dalla composizione e dalla storia di raffreddamento.** Caratteristica L’austenite trattenuta si forma quando l’austenite arricchita di carbonio presenta una temperatura di inizio della trasformazione martensitica sufficientemente bassa da impedire che la tempra la trasformi completamente. Una certa quantità di austenite trattenuta può assorbire la deformazione e ridurre il rischio immediato di criccatura, ma è dimensionalmente instabile sotto l’azione delle sollecitazioni di esercizio, della lavorazione meccanica o di un successivo raffreddamento. La trasformazione in martensite può provocare un aumento dimensionale o altre variazioni dimensionali. Una quantità eccessiva può inoltre ridurre la durezza misurata o modificare il comportamento a fatica di contatto. Per questo motivo, il tenore di austenite trattenuta viene spesso misurato mediante metallografia o diffrazione a raggi X quando sono importanti la stabilità dimensionale o i carichi ciclici; la sola durezza superficiale non consente di identificarla in modo affidabile. I carburi costituiscono un ulteriore problema di controllo. I carburi di lega possono contribuire alla resistenza all’usura, ma una rete continua di carburi o un’eccessiva quantità di carburi ai bordi dei grani può infragilire lo strato cementato e consumare gli elementi di lega necessari alla temprabilità. Un potenziale di carbonio eccessivo, un tempo eccessivo alla temperatura di trattamento o una composizione dell’acciaio inadeguata possono produrre una superficie che risulta più dura in una prova d’impronta, ma meno soddisfacente in esercizio. L’obiettivo è ottenere un profilo di carbonio controllato, non il più alto tenore di carbonio superficiale possibile. La distorsione deriva dall’azione combinata di diverse cause: espansione e contrazione termica, deformazioni di trasformazione quando l’austenite diventa martensite, raffreddamento non uniforme, variazioni dello spessore delle sezioni, tensioni residue di lavorazione e effetti del fissaggio o del carico. Gli ingranaggi possono subire variazioni delle dimensioni dei denti o dell’eccentricità; gli alberi possono piegarsi o aumentare di diametro; le sezioni sottili possono deformarsi. La geometria, l’orientamento nel forno, l’agitazione durante la tempra e il sistema di fissaggio devono pertanto rientrare nella specifica del processo. La rettifica dopo la tempra può correggere alcuni errori dimensionali, ma non può riparare una microstruttura dello strato cementato inadeguata né rimuovere la distorsione senza consumare lo strato richiesto. La verifica deve misurare più di un semplice valore di durezza superficiale. La norma ISO 2639:2002 riguarda la determinazione e la verifica della profondità degli strati cementati e temprati e utilizza, per definirne l’applicabilità, una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato cementato. Un profilo di durezza dalla superficie verso il nucleo può stabilire la profondità efficace dello strato cementato quando vengono rispettati il carico specificato, la preparazione, la spaziatura e il punto finale della misurazione. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente mediante cementazione, carbonitrurazione, nitrurazione, tempra alla fiamma, a induzione, mediante fascio elettronico e mediante laser, ribadendo che trattamenti diversi richiedono procedure di misurazione definite. L’esame metallografico può evidenziare martensite, bainite, perlite, austenite trattenuta e carburi che un profilo di durezza può non rilevare. Per i componenti di precisione possono essere necessarie l’ispezione dimensionale e la misurazione delle tensioni residue. La cementazione è tra i trattamenti termochimici più utilizzati per l’acciaio, ma il suo risultato è una combinazione controllata di composizione, trasformazione, microstruttura, tensioni e profondità misurata dello strato cementato, non un’etichetta generica per qualsiasi superficie indurita. ## Cementazione carbonitrurante: carbonio e azoto nell’austenite La cementazione carbonitrurante è un processo di indurimento termochimico superficiale nel quale sia il carbonio sia l’azoto penetrano nella superficie dell’acciaio mentre questo si trova in condizioni austenitiche. Lo strato arricchito viene quindi temprato, producendo generalmente martensite, sostanzialmente più dura del nucleo a minor tenore di carbonio. Ciò colloca la cementazione carbonitrurante, per logica di processo, tra la cementazione e la nitrurazione; tuttavia, non si tratta semplicemente di un ciclo di cementazione più rapido, né di una forma ad alta temperatura della nitrocarburazione. ASM International definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso volto a rendere lo strato superficiale, o strato cementato, sostanzialmente più duro del nucleo. Analogamente, il National Bureau of Standards degli Stati Uniti classifica cementazione, nitrurazione e cementazione carbonitrurante in base al fatto che sulla superficie dell’acciaio vengano aggiunti carbonio, azoto o entrambi. La cementazione carbonitrurante deve pertanto essere identificata in base alle specie diffondenti e alla condizione di fase, non soltanto in base al profilo finale di durezza. ### Meccanismo della cementazione carbonitrurante Il pezzo viene riscaldato al di sopra della temperatura critica inferiore, portandolo nell’intervallo austenitico, generalmente in un’atmosfera gassosa controllata contenente un gas apportatore di carbonio e un’aggiunta di ammoniaca. Monossido di carbonio, metano, propano e gas vettore endotermico possono contribuire all’apporto di carbonio, mentre l’ammoniaca fornisce una sorgente di azoto atomico. L’atmosfera deve essere controllata poiché il potenziale di carbonio, la dissociazione dell’ammoniaca, il flusso del gas, la pressione e la temperatura del forno determinano congiuntamente il potenziale chimico sulla superficie dell’acciaio. Alla temperatura di austenitizzazione, l’austenite può sciogliere una quantità considerevole di carbonio e una quantità minore, ma metallurgicamente significativa, di azoto. Il carbonio e l’azoto diffondono quindi verso l’interno a partire dalla superficie. La loro concentrazione diminuisce con la distanza, producendo un gradiente anziché un confine netto. Il profilo risultante dipende dalla temperatura, dal tempo di mantenimento, dalla composizione della lega, dalle reazioni superficiali e dalla velocità con cui l’atmosfera fornisce ciascuna specie. L’azoto influisce su aspetti che vanno oltre la chimica superficiale. Nell’austenite può aumentare la temprabilità e ritardare alcune reazioni di trasformazione, consentendo a uno strato arricchito sottile di formare martensite durante la tempra anche quando l’acciaio di base presenta una temprabilità limitata. L’azoto modifica inoltre le temperature di trasformazione da austenite a martensite e può aumentare l’austenite residua se il contenuto combinato di carbonio e azoto è eccessivo. Elementi di lega quali cromo, molibdeno, manganese e nichel modificano ulteriormente la temprabilità e la stabilità di carburi o nitruri. #### Austenitizzazione 1. **Riscaldare l’acciaio nell’intervallo dell’austenite.** Arricchimento 2. **Fornire carbonio e azoto mediante l’atmosfera controllata.** Tempra 3. **Raffreddare abbastanza rapidamente da formare lo strato martensitico previsto.** Rinvenimento 4. **Ridurre la fragilità e regolare la durezza e la stabilità dimensionale.** Avvertenza sulla tempra La sequenza pratica consiste pertanto, generalmente, nell’austenitizzazione in un’atmosfera contenente carbonio e azoto, nel mantenimento per un tempo sufficiente a sviluppare lo strato specificato e nella tempra a velocità controllata. Può seguire un rinvenimento per ridurre le tensioni di tempra e regolare la durezza. La cementazione carbonitrurante viene spesso applicata ad acciai a tenore relativamente basso di carbonio, compresi gradi selezionati per piccoli componenti, elementi di fissaggio, ingranaggi, boccole e altri componenti per i quali siano necessari uno strato duro poco profondo e un interno tenace. La sola designazione del grado non stabilisce il risultato. AISI 1018, AISI 1020, SAE 8620 ed EN 20MnCr5 rispondono in modo diverso perché differiscono per tenore di carbonio, contenuto di elementi di lega, dimensione del grano, temprabilità e trattamento termico preliminare. La superficie può contenere martensite con austenite residua e, in funzione della composizione chimica e del processo, carburi o carbonitruri di lega. Il nucleo può trasformarsi in martensite, bainite oppure in una miscela contenente ferrite e perlite. Questa distinzione è importante. Uno strato duro sopra un nucleo morbido e debole può cedere per deformazione, schiacciamento o flessione anche quando una misurazione della durezza superficiale appare soddisfacente. Nota sulla qualità dello strato | Carbonitrurazione | Nitrocarburazione | Matrice durante l’arricchimento | |---|---|---| | Austenite | Ferrite | Regime di temperatura | | Al di sopra della temperatura critica | Al di sotto della temperatura critica | Struttura finale tipica | | Strato martensitico dopo la tempra | Strato composto e zona di diffusione | Tempra necessaria per la formazione dello strato | | Normalmente sì | Normalmente no | Carbonitrurazione e nitrocarburazione hanno nomi simili, ma condizioni di fase diverse. | La cementazione carbonitrurante non è la nitrocarburazione. Nella cementazione carbonitrurante, carbonio e azoto diffondono nell’austenite al di sopra della temperatura critica e la tempra produce normalmente uno strato martensitico. Nella nitrocarburazione, carbonio e azoto diffondono nella ferrite al di sotto della temperatura critica. I componenti nitrocarburati sviluppano comunemente un sottile strato di composti ferro-carbonio-azoto sopra una zona di diffusione contenente azoto, mentre i componenti sottoposti a cementazione carbonitrurante vengono specificati principalmente attraverso uno strato trasformato e indurito. Confondere i due trattamenti può generare aspettative errate riguardo alla struttura delle fasi, alle variazioni dimensionali, alle prove di durezza e al comportamento all’usura o alla corrosione. ### Confronto con la cementazione La cementazione introduce carbonio nell’austenite e crea una superficie ad alto tenore di carbonio sopra un interno a tenore inferiore. La cementazione carbonitrurante segue la stessa logica termica generale, ma aggiunge contemporaneamente azoto. La differenza è rilevante: l’azoto modifica la temprabilità, il comportamento di trasformazione, l’austenite residua e la risposta dello strato arricchito durante la tempra. Uno strato cementato viene spesso realizzato più profondo di uno strato carbonitrurato, sebbene nessuno dei due processi abbia una profondità fissa. La cementazione carbonitrurante viene comunemente selezionata quando è sufficiente uno strato relativamente poco profondo e quando l’aumento della temprabilità dovuto all’azoto può ridurre il rischio di una superficie insufficientemente indurita. Il ciclo di trattamento più breve spesso associato alla cementazione carbonitrurante è una conseguenza della profondità specificata e della temperatura di processo, non una definizione del metodo. Un ciclo lungo a bassa temperatura e un ciclo breve ad alta temperatura possono produrre gradienti, deformazioni, crescita del grano e tenori di austenite residua differenti. La cementazione si basa generalmente sul potenziale di carbonio per stabilire la concentrazione superficiale di carbonio. La cementazione carbonitrurante richiede il controllo sia del potenziale di carbonio sia del potenziale di azoto. Aumentare l’aggiunta di ammoniaca non rende semplicemente lo strato più duro. Un eccesso di azoto può aumentare l’austenite residua, favorire la porosità o una chimica superficiale non uniforme in condizioni inadatte e modificare la risposta dimensionale. Un eccesso di carbonio può creare una superficie ad alto tenore di carbonio, fragile dopo la tempra o contenente una quantità eccessiva di austenite residua. Il controllo del forno e la misurazione dell’atmosfera sono pertanto parte della specifica metallurgica. Anche l’acciaio stesso modifica il confronto. Un acciaio al carbonio non legato a basso tenore di carbonio può ottenere dalla cementazione carbonitrurante uno strato martensitico poco profondo utile, mentre un acciaio da cementazione basso-legato come SAE 8620 viene comunemente scelto quando sono necessarie una maggiore profondità dello strato e una maggiore temprabilità del nucleo. Un componente in SAE 8620 cementato e un componente in AISI 1018 carbonitrurato non possono essere confrontati sulla sola base della durezza superficiale. I loro gradienti di carbonio, tenori di azoto, trasformazioni del nucleo, deformazioni e capacità portanti sono differenti. Entrambi i processi possono produrre, dopo la tempra, tensioni residue di compressione in prossimità della superficie, che possono contribuire alla resistenza ad alcune forme di fatica da contatto o da flessione. Nessuno dei due processi garantisce uno stato tensionale favorevole. La severità della tempra, le dimensioni della sezione, la geometria, la microstruttura iniziale e il rinvenimento determinano il risultato effettivo. Anche le prestazioni in termini di usura, attrito e tribocorrosione dipendono dal materiale della controfaccia, dalla lubrificazione, dalla pressione di contatto, dalla finitura superficiale e dall’ambiente; il nome del trattamento non costituisce una previsione delle prestazioni. ### Strato martensitico e variabili di processo Lo strato martensitico si forma soltanto se l’austenite arricchita viene raffreddata attraverso l’intervallo di trasformazione a una velocità sufficiente. La tempra in olio, polimero, sale o gas produce storie di estrazione del calore differenti. Una tempra severa può aumentare la formazione di martensite, ma anche accrescere il rischio di deformazioni e cricche. Una tempra blanda può lasciare bainite o perlite nelle regioni che si intendeva indurire completamente. La tempra interrotta o a stadi può ridurre le deformazioni, ma modifica il percorso di trasformazione e deve essere qualificata in funzione della geometria del componente. La temperatura controlla la diffusione e la crescita del grano austenitico. Il tempo controlla la profondità di penetrazione del carbonio e dell’azoto. La composizione dell’atmosfera controlla l’apporto superficiale. Le condizioni di tempra controllano le fasi finali. La composizione dell’acciaio controlla la temprabilità e la precipitazione. Queste variabili interagiscono; pertanto, una temperatura di cementazione carbonitrurante indicata senza informazioni su tempo, atmosfera, grado dell’acciaio e condizioni di tempra non costituisce una specifica di trattamento riproducibile. La verifica dovrebbe misurare più della sola durezza superficiale massima. Un rilievo di durezza dalla superficie verso il nucleo può stabilire la profondità efficace dello strato, mentre la metallografia può evidenziare martensite, austenite residua, bainite, carburi, nitruri, decarburazione e ossidazione intergranulare. Per i componenti di precisione possono essere necessarie un’ispezione dimensionale e una valutazione delle tensioni residue. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente prodotti mediante cementazione carbonitrurante, cementazione, nitrurazione, tempra alla fiamma, a induzione, a fascio elettronico e laser. La norma ISO 2639:2002 tratta la determinazione e la verifica della profondità dello strato cementato e indurito; la sua applicabilità utilizza una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a una profondità pari a tre volte la profondità dello strato. Tale criterio non dovrebbe essere trasferito acriticamente a ogni specifica di cementazione carbonitrurante. Il disegno o la norma di processo devono indicare il metodo di misurazione, la scala di durezza, la posizione, la profondità minima o efficace, la condizione superficiale e i limiti di accettazione. L’indurimento superficiale è dimostrato dalla microstruttura e dal profilo di profondità richiesti, non da una singola lettura superficiale brillante e dura. ## Nitrurazione: diffusione dell’azoto senza cementazione convenzionale La nitrurazione è un trattamento termochimico basato sull’azoto, nel quale l’azoto penetra nella superficie dell’acciaio e reagisce con il ferro e con determinati elementi di lega. Non si tratta quindi di una versione a basso tenore di carbonio della cementazione. La cementazione crea uno strato arricchito di carbonio che viene generalmente austenitizzato e temprato per formare martensite ad alto tenore di carbonio. La nitrurazione, invece, viene normalmente eseguita su un acciaio precedentemente trattato termicamente, a una temperatura inferiore all’intervallo delle trasformazioni critiche; di conseguenza, la superficie indurita è costituita principalmente da ferrite rinforzata dall’azoto e da nitruri di lega, anziché da uno strato martensitico ottenuto per tempra. ASM International definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso tale per cui lo strato superficiale, o strato indurito, diventa sostanzialmente più duro del nucleo. La nitrurazione soddisfa tale definizione, ma il percorso che conduce alla durezza è diverso. Il National Bureau of Standards degli Stati Uniti classifica cementazione, nitrurazione e carbonitrurazione in base al fatto che sulla superficie vengano aggiunti carbonio, azoto o entrambi. Questa classificazione è più utile che considerare ogni processo di indurimento superficiale come un unico ciclo termico. ### Diffusione dell’azoto e formazione dei nitruri Sulla superficie sottoposta al trattamento, l’azoto viene fornito da un’atmosfera di ammoniaca dissociata, da un plasma o da un altro mezzo contenente azoto e sottoposto a controllo. Gli atomi di azoto si dissolvono sulla superficie dell’acciaio e diffondono verso l’interno. Una parte rimane in soluzione solida interstiziale; un’altra reagisce con il ferro o con gli elementi di lega formando nitruri. Il profilo di durezza risultante dipende dal potenziale di azoto, dalla temperatura, dal tempo, dalla composizione dell’acciaio, dal trattamento termico precedente e dalle reazioni che avvengono sulla superficie. Gli acciai da nitrurazione vengono scelti in parte per la presenza di elementi formatori di nitruri. Alluminio, cromo, molibdeno, vanadio, titanio e talvolta niobio possono formare nitruri di lega finemente dispersi. Queste particelle ostacolano il movimento delle dislocazioni e aumentano la durezza all’interno della zona di diffusione. Il loro effetto non è intercambiabile: ciascun elemento presenta una diversa solubilità, stabilità dei nitruri, modalità di precipitazione e influenza sulla tenacità e sulle variazioni dimensionali. La presenza di un elemento in un certificato di composizione non dimostra di per sé il raggiungimento di una determinata profondità nitrurata o di una specifica durezza. Per ottenere tali risultati sono necessari un processo definito e un metodo di verifica. Tra le scelte ingegneristiche comuni rientrano gli acciai specificati per la nitrurazione secondo la norma EN 10085, nonché acciai legati come AISI 4140, quando siano stati stabiliti la risposta richiesta, il trattamento del nucleo e le condizioni di esercizio. A nessun grado di acciaio dovrebbe essere attribuito un risultato generico di nitrurazione senza controllare l’esatta composizione chimica, lo stato di rinvenimento precedente, la finitura superficiale e il ciclo di forno. Il trasporto dell’azoto è fortemente influenzato dalla reazione superficiale. Nella nitrurazione gassosa, la dissociazione dell’ammoniaca e il conseguente potenziale nitrurante regolano l’attività dell’azoto sul pezzo. Nella nitrurazione al plasma, il bombardamento ionico può pulire e attivare la superficie, mentre i parametri elettrici influenzano il riscaldamento e il trasporto delle specie. Questi processi sono correlati, ma non producono strati di composti, rugosità, porosità o uniformità locale identici. #### Per le superfici nitrurate, valutare l’equilibrio delle fasi dello strato composto, lo spessore, la continuità, la porosità, l’aderenza e la zona di diffusione di supporto, anziché basarsi soltanto sulla durezza superficiale. Rendicontazione dello strato nitrurato Sulla superficie esterna può formarsi uno strato di composti. Esso è costituito principalmente da nitruri di ferro, comunemente descritti come nitruro di ferro epsilon, ε-Fe₂–₃N, e nitruro di ferro gamma-prime, γ′-Fe₄N. A seconda del potenziale di azoto e del controllo del ciclo, lo strato può essere costituito prevalentemente da una sola fase, da una miscela di fasi oppure essere sufficientemente sottile da presentare una continuità limitata. Al di sotto si trova la zona di diffusione, nella quale l’azoto è disciolto nella matrice e può verificarsi la precipitazione di nitruri di lega. Lo strato di composti può migliorare la resistenza all’usura adesiva e ad alcuni ambienti corrosivi, ma può anche risultare fragile, poroso o scarsamente aderente se la sua composizione chimica e il suo spessore non sono adeguati. Uno strato bianco spesso non costituisce automaticamente la prova di un trattamento riuscito. La zona di diffusione non equivale alla regione martensitica trasformata prodotta dalla cementazione. Può contenere un gradiente di durezza dovuto alla diminuzione della concentrazione di azoto e alla variazione della densità dei precipitati con la profondità. Il nucleo conserva la microstruttura prodotta dal precedente trattamento di tempra e rinvenimento. Per questo motivo, la nitrurazione viene comunemente iniziata con un acciaio le cui proprietà del nucleo siano già definite. Il ciclo di nitrurazione non è destinato a sostituire tale trattamento termico del nucleo. ### Terminologia dello strato nitrurato L’espressione “strato nitrurato” è utilizzata nell’industria, ma può nascondere due strutture distinte. Un rapporto dovrebbe specificare se essa indica lo spessore totale dello strato nitrurato, lo spessore dello strato di composti, la profondità della zona di diffusione oppure una profondità efficace specificata in base alla durezza. “Strato bianco” è un termine metallografico riferito allo strato di composti dopo l’attacco; non costituisce una descrizione completa della regione nitrurata. La distinzione è importante durante l’ispezione. Una sezione trasversale può mostrare un sottile strato di composti continuo sopra una zona di diffusione molto più spessa. In alternativa, lo strato di composti può essere deliberatamente minimizzato, mentre la zona di diffusione fornisce la principale durezza portante. I componenti esposti a scorrimento, urto, contatto volvente o ambienti corrosivi possono richiedere equilibri diversi tra queste regioni. Il comportamento in condizioni di attrito e usura non può essere previsto sulla base di un unico valore di durezza superficiale, poiché anche la rugosità, la porosità, la morfologia dei nitruri, il materiale della contro-superficie, la lubrificazione e le tensioni residue influenzano il contatto. #### Strato composto - **Riportare lo spessore e, ove richiesto, la costituzione delle fasi, la continuità e la porosità.** Zona di diffusione - **Riportare la regione arricchita di azoto al di sotto dello strato composto.** Profilo di durezza - **Indicare il carico di prova, la spaziatura, la preparazione superficiale e il criterio di fine misurazione.** Nucleo - **Registrare la condizione preesistente del trattamento termico e la durezza.** Metodo La profondità nitrurata dovrebbe essere riportata indicando il criterio di misurazione adottato. Un confine metallografico, un profilo di microdurezza e un profilo della concentrazione di azoto non forniranno necessariamente lo stesso valore. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente prodotti mediante nitrurazione, nonché mediante cementazione, carbonitrurazione, tempra alla fiamma, tempra a induzione, tempra a fascio elettronico e tempra laser. L’inclusione di questi processi nella norma non rende identici i relativi criteri di profondità dello strato indurito; la definizione e la procedura di misurazione pertinenti devono corrispondere al trattamento. La norma ISO 2639:2002 è destinata alla determinazione e alla verifica della profondità dello strato cementato e temprato. La sua applicabilità comprende una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a una profondità pari a tre volte la profondità dello strato. Tale criterio non dovrebbe essere trasferito alla cieca agli strati nitrurati. La nitrurazione produce spesso una diminuzione graduale della durezza, uno strato di composti con una funzione distinta e un nucleo la cui durezza può essere già relativamente elevata. Una specifica per la nitrurazione dovrebbe indicare il carico di prova, l’intervallo tra i punti del profilo, l’eventuale rimozione o inclusione dello strato di composti e il limite scelto. ### Stabilità dimensionale e limiti del processo La nitrurazione viene spesso scelta quando è necessario limitare le deformazioni, poiché normalmente evita le fasi di austenitizzazione e tempra associate alla cementazione. Tale vantaggio è reale, ma non assoluto. Il pezzo viene comunque riscaldato per molte ore e l’assorbimento dell’azoto, la precipitazione dei nitruri, il rilascio delle tensioni di lavorazione e la crescita dello strato di composti possono modificare le dimensioni. Le sezioni sottili, gli spigoli vivi, gli accoppiamenti forzati e le superfici precedentemente incrudite a freddo sono particolarmente sensibili. Rimangono quindi necessari l’impiego di attrezzature di fissaggio e la pianificazione dei sovrametalli. La microstruttura iniziale è determinante. Un nucleo temprato e rinvenuto fornisce la resistenza e la stabilità dalle quali dipende lo strato nitrurato, mentre tensioni residue eccessive o una temperatura di rinvenimento non adeguata possono causare spostamenti dimensionali durante il trattamento. Anche la temperatura di nitrurazione deve rimanere compatibile con lo stato di rinvenimento precedente; se il pezzo viene esposto a una temperatura superiore a quella utilizzata per il rinvenimento, la durezza del nucleo può diminuire anche se la superficie diventa più dura. Lo stato della superficie controlla l’ingresso dell’azoto. Pellicole di ossido, residui oleosi, decarburazione, danni da rettifica, metallo trascinato e rugosità non uniforme possono produrre strati di composti discontinui o profondità di diffusione incoerenti. La pulizia, l’attivazione, la mascheratura e la pre-lavorazione controllata sono pertanto requisiti del processo, non semplici operazioni estetiche. Gli spigoli e i fori possono ricevere flussi di azoto diversi rispetto alle superfici ampie e piane, mentre i trattamenti al plasma possono presentare effetti locali dovuti alla geometria e alla schermatura elettrica. Anche temperatura, tempo e potenziale di azoto impongono dei limiti. Una temperatura più elevata accelera generalmente la diffusione e la precipitazione, ma può aumentare le variazioni dimensionali, alterare lo stato di rinvenimento precedente o produrre uno strato di composti eccessivo. Un trattamento più lungo aumenta la profondità solo in funzione della cinetica della diffusione; non garantisce un aumento proporzionale della profondità utile portante. Un eccesso di azoto può favorire strutture superficiali fragili o porose. Il controllo del processo deve pertanto specificare la condizione prevista dello strato di composti, non soltanto la temperatura e la durata nel forno. La nitrurazione dovrebbe essere valutata in relazione alla sua effettiva funzione di esercizio: durezza portante della zona di diffusione, attrito, usura, corrosione, fatica, tolleranza dimensionale e resistenza del nucleo. Applicare esclusivamente i criteri della cementazione significa confondere una struttura ottenuta per diffusione dell’azoto con uno strato cementato al carbonio e temprato. Questo errore può produrre una lettura della durezza apparentemente conforme, trascurando tuttavia lo strato che controlla il cedimento. ## Nitrocarburazione ferritica e strati nitrocarburati La nitrocarburazione ferritica (FNC), spesso chiamata trattamento di nitrocarburazione ferritica, è un processo termochimico di indurimento superficiale in cui carbonio e azoto diffondono simultaneamente nella ferrite, mentre l’acciaio rimane al di sotto della sua temperatura critica di trasformazione. La distinzione rispetto alla carbonitrurazione è metallurgicamente importante. La carbonitrurazione introduce carbonio e azoto nell’austenite, generalmente a una temperatura sufficientemente elevata da formare, dopo la tempra, uno strato martensitico. La nitrocarburazione normalmente non prevede questo ciclo di austenitizzazione e tempra. Essa modifica la superficie ferritica esistente attraverso la diffusione interstiziale e la formazione di composti. Il termine *nitrocarburazione* può descrivere la famiglia di processi, mentre *nitrocarburazione ferritica* identifica il percorso condotto al di sotto della temperatura critica. I processi in fase gassosa, in bagno di sali e al plasma possono fornire le specie contenenti azoto e carbonio, sebbene differiscano per chimica del gas, controllo della reazione e condizioni superficiali. Il National Bureau of Standards statunitense classifica cementazione, nitrurazione e carbonitrurazione in base al fatto che sulla superficie vengano aggiunti carbonio, azoto o entrambi; la FNC rientra nella stessa classificazione termochimica, ma la sua temperatura di processo ferritica e la microstruttura risultante richiedono un trattamento distinto. ### Processo al di sotto della temperatura critica Il pezzo viene riscaldato al di sotto della temperatura critica inferiore, Ac1, in modo che la matrice rimanga ferritica anziché trasformarsi in austenite. L’azoto e il carbonio penetrano nella superficie dall’atmosfera di trattamento o dal bagno di sali e diffondono verso l’interno. Poiché non si verifica una trasformazione intenzionale della fase massiva seguita da tempra, la variazione dimensionale e la deformazione sono spesso inferiori rispetto a cementazione o carbonitrurazione. Tuttavia, non sono assenti. I gradienti termici, le tensioni preesistenti, i segni di lavorazione, la geometria del pezzo e la crescita dello strato di composti possono comunque modificare dimensioni e forma. La risposta al trattamento dipende fortemente dalla composizione dell’acciaio. Il ferro da solo può formare carbonitruri e nitruri di ferro, ma elementi di lega come cromo, molibdeno, vanadio e alluminio formano nitruri di lega stabili nella zona di diffusione. Questi precipitati ostacolano il moto delle dislocazioni e aumentano la durezza al di sotto della superficie. Gli acciai a basso tenore di carbonio e bassolegati possono quindi acquisire una superficie dura senza sviluppare lo strato martensitico temprato profondo associato agli acciai cementati. Gli acciai da nitrurazione, comprese le qualità specificate come EN 41B o AISI 4140, quando la designazione secondo la norma applicabile e il precedente trattamento termico sono sotto controllo, rispondono diversamente dagli acciai al carbonio non legati, poiché i loro elementi di lega modificano la diffusione dell’azoto, la precipitazione e la durezza. Temperatura, tempo, potenziale e modalità di raffreddamento devono essere controllati congiuntamente. Un potenziale di azoto elevato può creare uno strato di composti spesso e fragile; un potenziale insufficiente può produrre uno strato continuo esiguo o del tutto assente. Anche l’attività del carbonio modifica l’equilibrio delle fasi e può influire sulla porosità. Il ciclo in forno non è quindi intercambiabile con una ricetta di cementazione, anche quando viene trattato lo stesso componente in acciaio. ### Strato di composti e zona di diffusione Una superficie nitrocarburata viene comunemente descritta come costituita da due regioni adiacenti. Lo strato esterno di composti, talvolta chiamato strato bianco dopo l’attacco metallografico, è costituito principalmente da carbonitruri di ferro. Le sue fasi possono comprendere la fase epsilon, approssimativamente Fe₂–₃(N,C), e la fase gamma primo, approssimativamente Fe₄(N,C), la cui proporzione è determinata dalla temperatura, dalla chimica del gas o del bagno di sali e dal tempo di trattamento. Lo strato non è semplicemente “azoto duro”. È una zona di reazione chimicamente distinta, simile a una ceramica, il cui comportamento a contatto dipende dalla costituzione delle fasi, dallo spessore, dalla continuità e dalla porosità. Al di sotto si trova la zona di diffusione. Le concentrazioni di azoto e carbonio diminuiscono con la profondità, mentre i precipitati di nitruri di lega e le deformazioni locali del reticolo possono produrre un gradiente di durezza. La zona di diffusione passa generalmente in modo progressivo al nucleo non interessato, anziché terminare in un confine metallurgico netto. La sua profondità utile deve pertanto essere definita mediante un criterio di misura, non mediante un margine visibile in una sezione trasversale lucidata. La continuità è importante. Uno strato di composti sottile e continuo può proteggere una superficie di scorrimento, mentre uno strato discontinuo può esporre regioni più tenere e produrre un contatto irregolare. Uno spessore eccessivo può aumentare la fragilità e favorire cricche o sfaldamento sotto urto o in presenza di elevate pressioni di contatto. Anche la porosità è determinante: una porosità controllata in prossimità della superficie può trattenere il lubrificante in alcune applicazioni, mentre pori interconnessi possono consentire l’ingresso dell’elettrolita corrosivo e fornire siti di innesco delle cricche. La composizione è importante perché gli strati di fase epsilon e di fase gamma primo non presentano la stessa durezza, fragilità, stabilità chimica o risposta all’attrito. Il substrato rimane parte del sistema portante. Uno strato di composti duro sostenuto da un nucleo tenero può collassare o fessurarsi anche quando una prova di durezza superficiale fornisce un valore impressionante. La precedente tempra e rinvenimento, la durezza del nucleo, le tensioni residue, le inclusioni e la geometria della superficie influenzano tutti il supporto. Rettifica, lucidatura, burattatura, pallinatura o rimozione dello strato più esterno possono modificare la rugosità, aprire o chiudere i pori e alterare lo spessore misurato e funzionale del trattamento. La verifica deve distinguere lo spessore dello strato di composti dalla profondità della zona di diffusione e deve riportare il metodo utilizzato. La metallografia su sezione trasversale può identificare la morfologia delle fasi e la porosità; i profili di microdurezza possono stabilire il gradiente di durezza; la microscopia elettronica a scansione e la diffrazione a raggi X possono contribuire a valutare la morfologia e la costituzione delle fasi. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente prodotti mediante metodi termochimici, inclusi carbonitrurazione, cementazione e nitrurazione, nonché mediante metodi termici localizzati. Il suo campo di applicazione sostiene un quadro comune per la misurazione dello spessore degli strati, ma il criterio riportato deve comunque specificare se si riferisce allo strato di composti, alla zona di diffusione o a un determinato limite di durezza. La norma ISO 2639:2002 è rivolta alla profondità dello strato cementato e temprato, e non automaticamente a ogni strato nitrocarburato. Essa definisce l’applicabilità mediante una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato. Applicare tale regola senza verificare il tipo di trattamento può rappresentare in modo errato un profilo FNC, in particolare quando uno strato di composti sottile si trova al di sopra di una zona di diffusione poco profonda e la durezza del nucleo è già elevata. ### Considerazioni su usura, attrito e corrosione La nitrocarburazione può modificare il comportamento tribologico attraverso diversi meccanismi simultanei: lo strato di composti aumenta la durezza superficiale, la zona di diffusione sostiene lo strato esterno e la rugosità finale controlla l’area di contatto reale e la ritenzione del lubrificante. Il risultato non è un miglioramento universale. Velocità di scorrimento, carico, materiale del controcorpo, lubrificazione, temperatura, detriti e geometria del contatto possono invertire la graduatoria tra due trattamenti. La rassegna su tribologia e tribocorrosione ha catalogato borurazione, cromizzazione, cementazione, nitrurazione, nitrocarburazione e carbonitrurazione come trattamenti associati alle prestazioni in termini di usura, attrito e corrosione. Tale classificazione identifica finalità ingegneristiche, non risultati garantiti. Uno strato continuo di carbonitruro può ridurre l’usura adesiva, mentre uno strato poroso o fessurato può accelerare il danneggiamento abrasivo o esporre il substrato. Una superficie ruvida dopo il trattamento può aumentare l’attrito anche quando la durezza è aumentata. Al contrario, la lucidatura può ridurre l’attrito, ma rimuovere una parte dello strato di composti o modificarne la struttura dei pori. La corrosione richiede la stessa cautela. Alcune superfici nitrocarburate mostrano una maggiore resistenza in determinati ambienti perché lo strato di composti limita l’accesso all’acciaio. Altre subiscono attacchi localizzati attraverso pori, cricche, danneggiamenti dei bordi o differenze galvaniche tra le fasi. Le prove in nebbia salina, per immersione, elettrochimiche e di tribocorrosione misurano processi di cedimento differenti; nessuna di esse dovrebbe essere sostituita da un valore di durezza. Ai fini della specifica, la documentazione significativa comprende la qualità dell’acciaio e il precedente trattamento termico, il percorso di processo, la temperatura e il tempo di trattamento, la fase o lo spessore dello strato di composti, la porosità e la continuità, la profondità della zona di diffusione, il profilo di durezza, la rugosità e l’operazione di finitura. Queste informazioni distinguono uno strato di nitrocarburazione ferritica controllato dalla vaga affermazione che un componente sia stato semplicemente “indurito superficialmente”. ## Altri metodi di indurimento superficiale: cianurazione, borurazione e cromizzazione La definizione dell’ASM International è deliberatamente ampia: l’indurimento superficiale è il trattamento di un materiale ferroso tale per cui il suo strato superficiale, o strato indurito, diventa sostanzialmente più duro del cuore. Questa definizione comprende più della sola cementazione. Anche il National Bureau of Standards degli Stati Uniti classifica i trattamenti superficiali in base alle specie aggiunte all’acciaio: carbonio, azoto o entrambi. La borurazione e la cromizzazione estendono lo stesso principio rispettivamente al boro e al cromo, mentre la cianurazione introduce sia carbonio sia azoto da un ambiente contenente cianuri. Questi trattamenti non dovrebbero essere valutati in base alla sola durezza superficiale. L’elemento diffondente, il composto di reazione, la temperatura di processo, il percorso di trasformazione, lo spessore dello strato, l’adesione, le tensioni residue e le condizioni del cuore determinano tutti se un componente funzionerà adeguatamente in condizioni di usura per strisciamento, usura abrasiva, fatica, attrito o tribocorrosione. La rassegna *Tribologia e tribocorrosione degli acciai con indurimento superficiale* identifica la borurazione, la cromizzazione, la cementazione, la nitrurazione, la nitrocarburazione e la carbonitrurazione come trattamenti correlati, ma questi non producono superfici intercambiabili. ### La cianurazione nel contesto storico e tecnico La cianurazione è un trattamento termochimico nel quale carbonio e azoto penetrano nella superficie dell’acciaio da un bagno di sali di cianuro fusi, storicamente spesso basato su cianuro di sodio o cianuro di potassio con costituenti carbonatici e cloruri. Il bagno fornisce entrambi gli elementi interstiziali mentre il pezzo viene mantenuto nell’intervallo austenitico. Dopo l’estrazione dal bagno, il componente viene comunemente temprato, cosicché l’austenite arricchita si trasforma in gran parte in martensite. Dal punto di vista metallurgico, lo strato ottenuto è quindi più simile a uno strato carbonitrurato sottile che a uno strato nitrurato formato al di sotto della temperatura critica. La sua importanza storica deriva dalla combinazione di trasferimento rapido e arricchimento superficiale relativamente poco profondo. Piccoli ingranaggi, perni, boccole e altri componenti in acciaio a basso tenore di carbonio potevano ricevere una superficie martensitica dura senza il lungo ciclo in forno associato a una cementazione più profonda. Il trattamento dimostra inoltre perché “indurimento superficiale” non possa essere usato come sinonimo di cementazione: la cianurazione fornisce sia azoto sia carbonio, e l’azoto modifica la stabilità dell’austenite, la temprabilità, il comportamento dell’austenite trattenuta e la risposta alla tempra. Il processo presenta vincoli considerevoli. Un bagno di cianuro è chimicamente pericoloso, richiede pratiche operative controllate e impone un attento controllo della composizione dei sali e della temperatura. Tali requisiti di manipolazione fanno parte della specifica del processo e non sono dettagli secondari. La cianurazione è inoltre poco adatta ai componenti che richiedono uno strato molto profondo, poiché il suo principale vantaggio pratico è la rapida formazione di uno strato arricchito relativamente superficiale. La tempra può produrre deformazioni e distribuzioni di tensioni residue di trazione o di compressione che dipendono dalla geometria, dalla composizione dell’acciaio, dall’agitazione e dal rinvenimento. La verifica deve stabilire qualcosa di più di un valore elevato di durezza misurato sulla superficie esterna. Una sezione trasversale lucidata può rivelare la transizione dallo strato martensitico al cuore a più basso tenore di carbonio, mentre un profilo di microdurezza identifica la profondità effettiva indurita. La norma ISO 18203:2026 fornisce un quadro per la misurazione degli strati induriti superficialmente prodotti mediante metodi termochimici, tra cui cementazione, carbonitrurazione e nitrurazione; per il materiale cianurato è necessaria la stessa distinzione tra il profilo di durezza misurato e qualsiasi strato stimato visivamente. La norma ISO 2639:2002 è specificamente orientata alla profondità dello strato cementato e temprato, pertanto la sua applicabilità non dovrebbe essere automaticamente presunta per ogni struttura cianurata. La condizione di durezza indicata è inferiore a 450 HV 1 a una profondità pari a tre volte quella dello strato. ### La borurazione e gli strati duri di boruri La borurazione, chiamata anche boronizzazione, introduce boro nella superficie dell’acciaio per formare boruri di ferro, anziché limitarsi ad arricchire la ferrite o l’austenite con un soluto interstiziale. I principali percorsi di processo comprendono la borurazione in miscela solida, i trattamenti con paste o polveri, i sali fusi e i metodi gassosi o assistiti al plasma. Il percorso selezionato controlla l’attività del boro, la temperatura, il tempo, la pulizia della superficie e la forma del fronte di reazione. La tensione residua di compressione superficiale può migliorare la resistenza ad alcune cricche di fatica. | Specie o fasi superficiali principali | Principale distinzione strutturale | Cianurazione | |---|---|---| | Strato martensitico arricchito di carbonio e azoto | Ciclo in bagno di sali comunemente seguito dalla tempra | Borurazione | | FeB e Fe₂B | Strato di reazione di boruri duri | Cromizzazione | | Soluzione solida ricca di cromo o composti ricchi di cromo | Strato di diffusione o di reazione del cromo | Altri metodi creano strati chimicamente distinti, non superfici indurite intercambiabili. | Negli acciai al carbonio e basso-legati, le fasi principali sono generalmente Fe₂B e, in presenza di una maggiore attività del boro o di un’esposizione più lunga, uno strato esterno di FeB sopra Fe₂B. La loro morfologia è spesso dentellata, con dita di boruro che penetrano nel substrato. Questa geometria può migliorare l’interblocco meccanico, ma rende anche la caratterizzazione dello strato più dipendente dalla posizione della sezione e dalla preparazione metallografica. Fe₂B è generalmente meno fragile di FeB; uno strato di FeB eccessivo o continuo può ridurre la tolleranza agli urti, alla flessione e alle incompatibilità termiche. Una superficie borurata non è quindi semplicemente una versione più dura di una superficie cementata. Lo strato di boruri è una zona di reazione intermetallica simile a una ceramica, aderente a un substrato metallico. L’adesione dipende dalla composizione del substrato, dall’equilibrio tra le fasi di boruro, dalla porosità, dalla forma dell’interfaccia e dal controllo del processo. Cromo, nichel, molibdeno e carbonio possono modificare la crescita dei boruri e la costituzione delle fasi, perciò lo stesso trattamento nominale non è trasferibile a ogni qualità di acciaio. Un’elevata durezza superficiale può favorire la resistenza all’usura abrasiva, ma la frattura o il distacco per sfaldamento possono diventare predominanti se lo strato è troppo spesso, troppo fragile, scarsamente sostenuto o sottoposto a carichi d’urto. Le tensioni residue derivano sia dall’espansione chimica durante l’assorbimento del boro sia dal ciclo termico. Esse interagiscono con i danni da rettifica, la resistenza del cuore e i carichi di esercizio. Di conseguenza, un profilo di durezza su sezione trasversale dovrebbe essere accompagnato da un’analisi metallografica che identifichi FeB, Fe₂B, pori, cricche e la transizione nel substrato interessato dalla diffusione. La diffrazione a raggi X può contribuire all’identificazione delle fasi e delle tensioni residue, mentre le prove di usura devono riprodurre il controcorpo e il carico; le prestazioni del boruro non possono essere dedotte dalla sola durezza. ### La cromizzazione e le superfici arricchite di elementi La cromizzazione introduce cromo nella superficie mediante un processo di diffusione ad alta temperatura. Sono possibili metodi di cementazione in miscela solida, con sali fusi, in fase gassosa e assistiti al plasma, sebbene la chimica della reazione e le apparecchiature differiscano. Il cromo può rimanere come soluzione solida arricchita di cromo, reagire con il carbonio formando carburi ricchi di cromo oppure produrre uno strato misto di diffusione e reazione. Il risultato dipende fortemente dal tenore di carbonio, dagli elementi di lega, dalla temperatura, dal tempo e dal potenziale chimico del cromo. Questa distinzione separa la cromizzazione dalla cromatura. La cromizzazione è un trattamento termochimico di diffusione: la composizione superficiale cambia al di sotto dell’interfaccia originaria, invece di ricevere soltanto un film depositato. In un acciaio contenente carbonio, vicino alla superficie possono formarsi carburi ricchi di cromo; in altre composizioni possono prevalere l’arricchimento di cromo e la diffusione nella ferrite o nell’austenite. La costituzione delle fasi influisce sulla durezza, sulla tenacità, sull’attrito, sul comportamento all’ossidazione e sulla risposta alla corrosione. La cromizzazione può essere interessante quando un componente necessita di una superficie arricchita di cromo resistente a specifiche condizioni di usura, ossidazione o ambiente corrosivo, ma non costituisce un sostituto universale della nitrurazione o della cementazione. L’esposizione ad alta temperatura può modificare la microstruttura del cuore, causare ingrossamento del grano, alterare le dimensioni o produrre tensioni residue durante il raffreddamento. Anche gli strati ricchi di carburi possono essere fragili, e l’adesione dipende da un profilo composizionale graduale e da un substrato integro, non soltanto dal tenore di cromo. La verifica dovrebbe pertanto combinare la misurazione metallografica della zona di diffusione o di reazione con un’analisi sensibile alla composizione, come la spettroscopia a dispersione di energia, l’analisi mediante scarica a bagliore o un altro metodo qualificato. I profili di durezza mostrano la risposta meccanica, ma non possono identificare i carburi di cromo né distinguerli da una soluzione solida ricca di cromo. La norma ISO 18203:2026 è utile per la logica generale di misurazione applicata agli strati induriti termochimicamente, mentre il rapporto dovrebbe indicare la definizione scelta per lo spessore dello strato cromizzato e le evidenze relative alle fasi che la supportano. In tutti e tre i trattamenti, la domanda corretta non è “quanto è dura la superficie?”, ma quali specie sono penetrate, quali fasi si sono formate, come è sostenuto lo strato e se tale struttura corrisponde all’effettivo modo di cedimento del componente. ## Indurimento superficiale localizzato: fiamma, induzione, fascio elettronico e laser La norma ISO 18203:2026 colloca l’indurimento alla fiamma, l’indurimento a induzione, l’indurimento mediante fascio elettronico e l’indurimento laser accanto alla cementazione, alla carbonitrurazione e alla nitrurazione tra i metodi per produrre strati induriti superficialmente. Questa classificazione è importante. L’indurimento superficiale non consiste in un unico ciclo termico e non è sinonimo di cementazione. ASM International lo definisce come il trattamento di un materiale ferroso in modo tale che il suo strato superficiale, o strato cementato, diventi sostanzialmente più duro del cuore. Un metodo termico localizzato, di norma, non modifica né il tenore di carbonio né la composizione della lega sulla superficie. Riscalda invece rapidamente l’acciaio esistente portandolo nell’intervallo austenitico, quindi trasforma quell’austenite in martensite mediante auto-raffreddamento o tempra applicata. Il risultato dipende fortemente dal grado di partenza. Un acciaio a medio tenore di carbonio come AISI 1045 può formare una superficie martensitica dura, ma la profondità di indurimento è limitata dal tenore di carbonio e dalla temprabilità. Un acciaio al cromo-molibdeno come AISI 4140 o EN 42CrMo4 può indurirsi più in profondità rispetto alla superficie riscaldata, poiché gli elementi di lega ritardano la formazione di perlite e bainite durante il raffreddamento. Un processo termico, pertanto, non può fornire la stessa profondità di strato indurito su ogni acciaio semplicemente aumentando la potenza o il tempo di esposizione. Se l’interno si raffredda troppo lentamente, la parte inferiore della zona riscaldata può contenere bainite, perlite o martensite rinvenuta anziché martensite completamente indurita. ![Metodi di cementazione dell’acciaio](/images/uploads/d2d23744-7a5d-4802-ae0a-440620395d43/wiki-inline-an-induction-hardening-coil-heating-the-teeth-of-a-real-steel-gear-while-a-contr-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/d2d23744-7a5d-4802-ae0a-440620395d43/wiki-inline-an-induction-hardening-coil-heating-the-teeth-of-a-real-steel-gear-while-a-contr-2027x2560.avif "Ingrandisci immagine — Metodi di cementazione dell’acciaio")Induction hardening heats selected steel regions before rapid cooling forms martensite. ### Austenitizzazione superficiale e auto-raffreddamento L’indurimento alla fiamma, a induzione, mediante fascio elettronico e laser inizia con un’operazione di austenitizzazione localizzata. La superficie viene portata al di sopra della temperatura critica pertinente, comunemente al di sopra di Ac3 nel caso di un acciaio ipoeutettoide, mentre la massa del componente rimane al di sotto di tale temperatura. Lo strato riscaldato si raffredda quindi attraversando gli intervalli di inizio e fine formazione della martensite. In molte applicazioni il cuore freddo sottrae calore abbastanza rapidamente da garantire una tempra autonoma. Per aumentare e controllare la velocità di raffreddamento si possono inoltre spruzzare acqua, polimero, olio o gas. La tempra autonoma non garantisce automaticamente una durezza uniforme. Un albero di grandi dimensioni ha una capacità di assorbimento del calore maggiore rispetto a una flangia sottile; uno spigolo vivo disperde calore in più direzioni; inoltre, una precedente lavorazione meccanica può modificare lo stato della superficie e il flusso termico. La superficie può diventare martensitica mentre la zona di transizione contiene strutture miste. Una temperatura o un tempo di permanenza di austenitizzazione eccessivi possono ingrossare l’austenite, dissolvere carburi utili, aumentare l’austenite trattenuta e ampliare la zona termicamente alterata. Un riscaldamento insufficiente può lasciare ferrite non disciolta o produrre un profilo di durezza che segue il campo di riscaldamento anziché la geometria prevista. Il ciclo termico genera inoltre tensioni residue. La martensite occupa un volume maggiore rispetto all’austenite originaria, mentre superficie e cuore si raffreddano e si trasformano in momenti diversi. Le tensioni residue di compressione sulla superficie possono migliorare la resistenza all’innesco delle cricche e alla fatica da contatto, ma tensioni di trazione o un forte gradiente di tensione possono favorire deformazioni e criccature. Il segno e l’entità delle tensioni non possono essere dedotti dalla sola durezza. Contribuiscono la geometria, il vincolo, la severità della tempra, la composizione della lega e il rinvenimento. L’indurimento alla fiamma utilizza una fiamma ossicombustibile spostata sul componente, seguita da una tempra autonoma o da uno spruzzo separato. È adatto a superfici estese e a cicli produttivi modificabili o riparabili, ma la posizione della fiamma, il flusso del gas, la velocità di avanzamento e il controllo da parte dell’operatore o della macchina influenzano la ripetibilità. Il riscaldamento a induzione utilizza un campo elettromagnetico alternato generato da una bobina. La frequenza e la potenza determinano la distribuzione del riscaldamento elettrico, mentre la forma della bobina stabilisce se verranno riscaldati un albero, un dente, una pista o una faccia selezionata. L’induzione può quindi produrre profili ripetibili con cicli brevi e un’esposizione complessiva limitata al forno. ### Indurimento a induzione rispetto a cementazione e nitrurazione L’indurimento a induzione preserva la composizione superficiale originaria dell’acciaio. Un acciaio con tenore di carbonio dello 0,40 per cento mantiene approssimativamente tale tenore in superficie; cambiano soltanto la fase e la durezza. La cementazione opera in modo diverso: il carbonio diffonde in un acciaio a basso tenore di carbonio, creando una superficie ad alto tenore di carbonio sopra un interno a basso tenore di carbonio. Dopo l’austenitizzazione e la tempra, questo gradiente consente di ottenere uno strato cementato martensitico duro con un cuore più tenace e a minor tenore di carbonio. Lo strato cementato può essere sostanzialmente più profondo rispetto a un tipico strato ottenuto per induzione, sebbene la profondità esatta dipenda da temperatura, tempo, atmosfera, grado dell’acciaio e tempra. La carbonitrurazione aggiunge sia carbonio sia azoto all’austenite e produce normalmente uno strato cementato martensitico. La nitrocarburazione non è semplicemente un ciclo di carbonitrurazione più breve: carbonio e azoto diffondono nella ferrite al di sotto della temperatura critica, formando comunemente uno strato di composti ferro-carbonio-azoto sopra una zona di diffusione arricchita di azoto. Anche la nitrurazione opera al di sotto dell’intervallo di trasformazione e forma nitruri di lega negli acciai idonei. Questi metodi termochimici modificano la composizione; l’indurimento a induzione, in genere, no. Questa distinzione determina la scelta del materiale. L’induzione richiede un tenore di carbonio sufficiente a ottenere la durezza martensitica desiderata e una temprabilità sufficiente per la profondità specificata. La cementazione può utilizzare un acciaio per il cuore a basso tenore di carbonio, come un acciaio da cementazione, perché il carbonio viene fornito alla superficie. La nitrurazione dipende in particolare da elementi formatori di nitruri quali alluminio, cromo, molibdeno o vanadio e non richiede lo stesso ciclo di tempra austenitica. Un acciaio basso-legato che risponde debolmente all’induzione può comunque ricevere uno strato nitrurato utile, mentre una composizione non formante nitruri potrebbe non produrre la risposta di nitrurazione prevista. L’induzione offre generalmente un controllo posizionale migliore e una deformazione complessiva minore rispetto a un lungo ciclo di cementazione, poiché vengono riscaldate soltanto le regioni selezionate e il componente trascorre meno tempo a temperatura elevata. Non è però esente da deformazioni. Un accoppiamento non uniforme con la bobina, spessori asimmetrici della sezione, un ritardo nella tempra e le tensioni di trasformazione possono piegare gli alberi o modificare la geometria dei denti. La cementazione produce gradienti di composizione e di trasformazione più ampi e può causare crescita dimensionale, austenite trattenuta e deformazioni da tempra, ma può fornire strati profondi capaci di sopportare il carico. La nitrurazione e la nitrocarburazione ferritica evitano l’austenitizzazione e la tempra dell’intera massa, per cui la variazione dimensionale è spesso minore; tuttavia, lo strato di composti e la zona di diffusione devono essere controllati in funzione dell’ambiente previsto di usura, attrito o tribocorrosione. ### Strati induriti mediante fascio elettronico e laser L’indurimento mediante fascio elettronico e laser concentra l’energia in modo ancora più preciso rispetto alla fiamma o all’induzione convenzionale. Un fascio elettronico trasferisce energia sotto vuoto e può creare piste austenitizzate strette e posizionate con precisione. L’indurimento laser utilizza un fascio ottico assorbito, spesso fatto scorrere sulla superficie regolando potenza, dimensione dello spot e velocità di avanzamento per mantenere un profilo termico controllato. Entrambi i metodi possono seguire percorsi complessi, trattare denti o piste di scorrimento selezionati e lasciare il materiale adiacente vicino alle sue condizioni originarie. I loro strati sono generalmente poco profondi rispetto a uno strato cementato profondo, sebbene la profondità effettiva dipenda dalla dimensione del fascio, dalla densità di energia, dalla velocità di scansione, dal grado dell’acciaio e dall’estrazione del calore. Il trattamento mediante fascio può produrre gradienti termici molto ripidi. Un raffreddamento rapido può creare martensite fine e una zona di transizione stretta, con scarse possibilità di crescita dei grani quando il ciclo è controllato correttamente. Può anche generare tensioni residue locali di trazione, fusione superficiale, riscaldamento insufficiente o bande di sovrapposizione rammollite se l’apporto energetico non è adeguato al materiale. L’indurimento laser mira normalmente a rimanere al di sotto del punto di fusione; la fusione superficiale o la lega superficiale mediante laser costituiscono operazioni diverse e non devono essere riportate come un normale indurimento laser. Anche il trattamento mediante fascio elettronico richiede il controllo del vuoto, della focalizzazione del fascio, della velocità di avanzamento e della geometria del componente. La verifica deve misurare più di un singolo valore di durezza superficiale. La norma ISO 18203:2026 tratta lo spessore degli strati induriti superficialmente prodotti da questi metodi termici, oltre che mediante cementazione, carbonitrurazione e nitrurazione. Un profilo di durezza dalla superficie verso il cuore può individuare la transizione, mentre l’esame metallografico può distinguere martensite da ferrite, bainite, austenite trattenuta, strati di composti, carburi e nitruri. La norma ISO 2639:2002 si applica specificamente alla determinazione e alla verifica della profondità dello strato cementato e indurito e utilizza la condizione di una durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato cementato. Tale criterio non deve essere trasferito acriticamente a ogni profilo laser o a induzione. Il metodo di durezza specificato, il carico, l’orientamento della sezione, la geometria del profilo, le tensioni residue, la deformazione e le condizioni funzionali di contatto devono essere tutti coerenti con il trattamento oggetto di valutazione. ## Selezione dell’Acciaio e Relazione tra Strato Superficiale e Nucleo L’indurimento superficiale è il trattamento di un materiale ferroso volto a fare sì che il suo strato superficiale, o strato indurito, diventi sostanzialmente più duro del nucleo, secondo la definizione di ASM International. Tale definizione descrive una differenza di proprietà, non uno specifico ciclo di forno o una particolare famiglia di leghe. La selezione dell’acciaio determina quale differenza sia possibile ottenere, fino a quale profondità essa si estenda e se il nucleo rimanga tenace dopo l’indurimento della superficie. La condizione iniziale è importante quanto la designazione nominale del grado. La riduzione di forgiatura, la direzione di laminazione, la ricottura, la normalizzazione, la precedente tempra e rinvenimento, la dimensione dei grani, la segregazione e il sovrametallo di lavorazione influenzano tutti la risposta. Un ciclo di cementazione applicato a un semilavorato normalizzato a grana fine non produce esattamente la stessa distorsione o la stessa struttura del nucleo del medesimo ciclo applicato a un componente a grana grossolana e fortemente incrudito a freddo. Le specifiche del trattamento devono quindi includere congiuntamente la designazione del grado, la dimensione della sezione, i trattamenti precedenti, la profondità nominale dello strato indurito, la durezza o la resistenza del nucleo e la distorsione ammissibile. ### Acciai a basso tenore di carbonio per strati cementati La cementazione è adatta agli acciai con un contenuto di carbonio sufficiente a sviluppare, dopo la tempra, un interno martensitico utile, ma non così elevato da rendere l’intero componente eccessivamente duro o fragile. Il processo introduce carbonio nella superficie austenitica ad alta temperatura, creando uno strato ad alto tenore di carbonio sopra un interno a più basso tenore di carbonio. Dopo la cementazione, il componente viene indurito mediante austenitizzazione e tempra, spesso seguite da rinvenimento a bassa temperatura. La superficie può quindi contenere martensite ad alto tenore di carbonio, austenite trattenuta e carburi, mentre il nucleo sviluppa una struttura martensitica, bainitica o mista a più basso tenore di carbonio, in funzione della sua temprabilità e della dimensione della sezione. Tra i comuni acciai da cementazione figurano SAE 1020, SAE 8620, SAE 4320, AISI 9310, EN 10084 16MnCr5 ed EN 10084 20MnCr5. Queste designazioni non significano che ogni grado elencato produca lo stesso strato cementato. SAE 1020 ha un contenuto di elementi di lega relativamente basso e una temprabilità limitata del nucleo; pertanto, in una sezione spessa, dopo la tempra può conservare ferrite e perlite o bainite sotto lo strato superficiale. SAE 8620 e 4320 contengono cromo, nichel e molibdeno in combinazioni che aumentano la temprabilità e favoriscono un nucleo più resistente nelle sezioni più grandi. AISI 9310, contenente nichel, cromo e molibdeno, viene impiegato quando sono richiesti uno strato profondo e un’elevata resistenza del nucleo, ma richiede comunque il controllo dell’austenitizzazione, della tempra e del rinvenimento. Il potenziale di carbonio e la temperatura di cementazione devono essere selezionati tenendo conto del contenuto di elementi di lega dell’acciaio e del tenore di carbonio superficiale richiesto. Un tenore di carbonio superficiale eccessivo può favorire reticoli di carburi, un’eccessiva quantità di austenite trattenuta e instabilità dimensionale, anziché migliorare la superficie di lavoro. Anche il gradiente di carbonio è importante: una transizione brusca può concentrare le tensioni, mentre uno strato adeguatamente graduato trasferisce il carico al nucleo in modo più graduale. La profondità efficace dello strato indurito non può essere dedotta dalla sola durezza superficiale. I componenti cementati sono spesso specificati sia in base alla profondità efficace dello strato indurito sia in base alle proprietà del nucleo. La norma ISO 2639:2002 tratta la determinazione e la verifica della profondità dello strato cementato e temprato, utilizzando come criterio di durezza un valore inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato per definirne l’applicabilità. Un rilievo dalla superficie verso il centro è quindi più informativo di una singola misurazione Rockwell o Vickers effettuata sulla superficie. Può essere inoltre richiesto un esame metallografico per identificare ossidazione, precipitazione di carburi, austenite trattenuta, decarburazione e una zona di transizione sfavorevole. ### Effetti degli elementi di lega nella nitrurazione e nell’indurimento a induzione La nitrurazione e la nitrocarburazione ferritica non richiedono la stessa composizione dell’acciaio o lo stesso ciclo di trasformazione di fase della cementazione. Durante la nitrurazione, l’azoto diffonde nella ferrite al di sotto della temperatura critica, mentre durante la nitrocarburazione ferritica carbonio e azoto diffondono nella ferrite. La superficie risultante può contenere uno strato composto di nitruri di ferro, comunemente descritto attraverso fasi quali ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N, sopra una zona di diffusione contenente nitruri di lega. Il nucleo non viene trasformato in martensite ad alto tenore di carbonio dal trattamento. La sua condizione preesistente deve già garantire la resistenza e la tenacità richieste. Alluminio, cromo, molibdeno e vanadio sono importanti elementi formatori di nitruri. Producono nitruri di lega fini e dispersi, che aumentano la durezza della zona di diffusione e migliorano la resistenza alla deformazione plastica. Acciai quali EN 10085 31CrMoV9 ed EN 10085 34CrAlNi7-10 sono associati alle applicazioni di nitrurazione perché il cromo, il molibdeno, il vanadio e, nel secondo grado, l’alluminio favoriscono la formazione di nitruri. Gli acciai al carbonio non legati possono assorbire azoto, ma in genere non sviluppano la stessa risposta stabile di rafforzamento mediante nitruri di lega. Un’eccessiva attenzione alla durezza superficiale può inoltre oscurare il ruolo dello strato composto nell’attrito, nell’usura, nella corrosione e nel grippaggio; il suo spessore e l’equilibrio delle fasi devono essere adeguati al contatto. #### Se la nitrurazione espone il pezzo a una temperatura superiore a quella del precedente rinvenimento, il nucleo può rammollirsi durante il trattamento anche mentre la superficie diventa più dura. Norma La nitrurazione viene comunemente eseguita su acciaio bonificato. La temperatura di rinvenimento deve essere superiore alla temperatura di nitrurazione prevista, altrimenti il nucleo potrebbe rammollirsi durante il trattamento. Questo requisito dimostra perché un grado non possa essere selezionato indipendentemente dalla sequenza di processo. Un acciaio che presenta la corretta resistenza a trazione prima della nitrurazione può perdere parte di tale resistenza se la sua condizione di rinvenimento non è idonea. L’indurimento a induzione è ancora diverso. Non aggiunge quantità significative di carbonio o azoto; al contrario, il riscaldamento elettromagnetico localizzato forma austenite nella composizione superficiale esistente, seguito da auto-tempra o tempra esterna per produrre martensite. La norma ISO 18203:2026 tratta gli strati induriti superficialmente prodotti mediante indurimento alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser, nonché gli strati ottenuti mediante cementazione, carbonitrurazione e nitrurazione. Nell’indurimento a induzione, il contenuto di carbonio, la distribuzione preesistente di perlite o ferrite, la dimensione dei grani, le proprietà elettriche, la frequenza, la densità di potenza, la velocità di scansione e il ritardo di tempra influenzano tutti il profilo indurito. AISI 1045 è generalmente in grado di produrre uno strato indurito a induzione utile in sezioni idonee, mentre AISI 4140 offre una maggiore temprabilità del nucleo grazie al cromo e al molibdeno. Lo stesso programma di riscaldamento non può essere trasferito da un grado all’altro senza verificare la profondità austenitizzata, la severità della tempra e la sensibilità alle cricche. Una superficie che raggiunge la durezza martensitica può comunque cedere se la transizione è troppo brusca o se il nucleo non trattato non possiede una resistenza sufficiente. ### Temprabilità, tenacità e dimensione della sezione del nucleo Capacità di un acciaio di sviluppare martensite fino a una determinata profondità durante il raffreddamento; è distinta dalla durezza della martensite formata. **Capacità di un acciaio di sviluppare martensite fino a una determinata profondità durante il raffreddamento; è distinta dalla durezza della martensite formata.** Avvertenza sulla compatibilità con il rinvenimento La temprabilità è la capacità di formare martensite attraverso una determinata sezione durante la tempra; non coincide con la durezza. Il carbonio controlla in larga misura la durezza della martensite, mentre gli elementi di lega quali manganese, cromo, nichel e molibdeno ritardano generalmente la trasformazione perlitica e bainitica e aumentano la temprabilità. La risposta alla prova di tempra finale Jominy e una curva di raffreddamento calcolata o misurata possono aiutare a correlare il grado e la dimensione della sezione con la struttura risultante del nucleo. Un ingranaggio sottile realizzato in SAE 8620 può sviluppare un nucleo prevalentemente martensitico, mentre un albero spesso prodotto dallo stesso colato di acciaio può contenere bainite o ferrite a durezza inferiore in prossimità del centro. Questa differenza influisce sulla resistenza a fatica, sulla risposta all’urto, sulla variazione dimensionale e sul sostegno fornito dal nucleo allo strato superficiale durante il contatto volvente o strisciante. Uno strato superficiale molto duro sopra un nucleo debole può collassare, incrinarsi o consentire la formazione di fatica subsuperficiale, anche quando il certificato della durezza superficiale appare soddisfacente. Anche la tenacità impone dei limiti. L’aumento del contenuto di carbonio e degli elementi di lega può incrementare la durezza del nucleo, ma può ridurre la tolleranza a intagli, danni di rettifica e tensioni di tempra. Il nichel favorisce spesso la tenacità, mentre un’eccessiva formazione di carburi o grani austenitici grossolani può comprometterla. Il compromesso richiesto dipende dal modo di applicazione del carico: un dente di ingranaggio cementato, un perno di manovella nitrurato e un componente ferroviario indurito a induzione non impongono le stesse esigenze. La dimensione della sezione controlla la velocità di raffreddamento e quindi la trasformazione del nucleo. La severità della tempra, l’orientamento del pezzo, la scelta dell’olio o del polimero, l’agitazione e la tempra interrotta o in pressa influenzano la distorsione e le tensioni residue. Sono importanti anche la lavorazione precedente e la geometria locale; spallamenti vivi, cave per linguette e denti sottili si riscaldano e si raffreddano in modo diverso rispetto a mozzi o alberi. Per i componenti sensibili alla distorsione, si può selezionare un acciaio a temprabilità inferiore con un trattamento meno profondo, oppure associare un grado a temprabilità maggiore a una tempra meno severa; nessuna delle due scelte è tuttavia sicura senza prove. La verifica dovrebbe collegare lo strato specificato alla funzione effettiva del componente. Possono essere necessari rilievi di durezza, durezza del nucleo, esame metallografico, misurazione dell’austenite trattenuta, controllo dimensionale e controllo delle cricche. La norma ISO 18203:2026 fornisce un quadro per la misurazione dello spessore degli strati induriti superficialmente ottenuti mediante metodi termici e termochimici; la norma ISO 2639:2002 è specificamente pertinente alla profondità degli strati cementati e temprati. Il principio fondamentale è semplice: profondità dello strato, struttura dello strato, tensioni residue e condizione del nucleo costituiscono un unico problema progettuale. Uno strato superficiale duro non può compensare un nucleo inadeguato. ## Profondità dello Strato, Profili di Durezza e Verifica secondo le Norme ISO Un valore di durezza superficiale non costituisce una misurazione della profondità dello strato indurito. L’indurimento superficiale è definito da ASM International come il trattamento di un materiale ferroso volto a fare sì che il suo strato superficiale, o strato indurito, diventi sostanzialmente più duro del nucleo. Tale definizione rende centrale il gradiente di durezza: la questione importante non è semplicemente quanto sia dura la superficie, ma come vari la durezza con la distanza dalla superficie e dove termini lo strato indurito. La risposta dipende dal trattamento. La cementazione aggiunge carbonio a un interno relativamente povero di carbonio, normalmente seguita da austenitizzazione e tempra, in modo che la superficie arricchita si trasformi principalmente in martensite. La carbonitrurazione aggiunge carbonio e azoto all’austenite e produce anch’essa normalmente uno strato cementato martensitico. La nitrurazione e la nitrocarburazione ferritica operano al di sotto della temperatura critica di trasformazione, consentendo all’azoto, oppure all’azoto e al carbonio, di diffondere nella ferrite. Le loro zone di diffusione, gli strati composti, i precipitati e i gradienti di durezza non possono essere interpretati come se si trattasse di martensite cementata. La tempra alla fiamma, a induzione, a fascio elettronico e laser non comporta alcuna variazione necessaria della chimica superficiale. Questi trattamenti riscaldano localmente una composizione esistente e si basano sulla formazione di austenite seguita da auto-tempra o da tempra applicata. Lo strato martensitico risultante può presentare una transizione netta verso il cuore, mentre uno strato cementato presenta generalmente un gradiente dipendente dal tenore di carbonio e può includere austenite residua, carburi o altri prodotti di trasformazione. La borurazione e la cromizzazione producono un altro tipo di strato superficiale, spesso dominato da zone di reazione dure contenenti boruri o cromuri, anziché da un convenzionale strato cementato martensitico arricchito di carbonio. Di conseguenza, la “profondità dello strato cementato” deve essere associata a una definizione dichiarata, a un carico di misura, a un orientamento e a un criterio di accettazione. Una profondità di processo registrata da una specifica di forno o di induzione non dimostra la profondità misurata sul componente finito. ### ISO 18203:2026 e spessore dello strato superficiale indurito Sequenza del controllo di processo | Applicazione principale descritta | Limitazione importante | ISO 18203:2026 | |---|---|---| | Spessore degli strati ottenuti mediante indurimento superficiale termico e termochimico | Il criterio riportato deve corrispondere al trattamento e alla definizione dello strato | ISO 2639:2002 | | Profondità dello strato cementato e indurito | Non applicabile automaticamente agli strati nitrurati, nitrocarburati, borurati o induriti al laser | ISO 18203:2026 e ISO 2639:2002 riguardano ambiti di verifica correlati ma diversi. | La norma ISO 18203:2026 fornisce un quadro generale per determinare lo spessore degli strati superficiali induriti prodotti sia mediante metodi termici sia mediante metodi termochimici. Il suo campo di applicazione dichiarato comprende la tempra alla fiamma, a induzione, a fascio elettronico e laser, nonché la carbonitrurazione, la cementazione e la nitrurazione. Questo campo di applicazione è importante perché respinge l’ipotesi comune secondo cui l’indurimento superficiale equivalga esclusivamente alla cementazione. Per i trattamenti termici localizzati, lo strato indurito viene creato mediante un ciclo termico e una trasformazione di fase. La misurazione segue comunemente un profilo di durezza dalla superficie verso il materiale non interessato. La profondità viene quindi determinata in base alla transizione di durezza o a un altro limite specificato nella procedura applicabile. Per i trattamenti termochimici, lo strato misurato può essere definito mediante durezza, metallografia, composizione chimica o una combinazione di questi criteri, a seconda del processo e dello scopo dell’ispezione. La norma ISO 18203:2026 deve pertanto essere interpretata come un quadro di misurazione, non come l’affermazione che un unico criterio numerico si applichi in modo identico a ogni acciaio e trattamento. Uno strato nitrurato può contenere un sottile strato composto sopra una zona di diffusione. Lo strato composto può essere più duro della zona di diffusione sottostante, ma non è automaticamente intercambiabile con la profondità nitrurata complessiva. Nella nitrocarburazione ferritica, lo strato bianco e la zona di diffusione possono dover essere riportati separatamente. Uno strato cementato e temprato può invece essere valutato attraverso un profilo di durezza graduale che si estende dall’elevata durezza superficiale verso il cuore. L’esame metallografico può individuare limiti visibili, come un’interfaccia tra uno strato composto e la zona di diffusione, un limite di trasformazione o una variazione della risposta all’attacco metallografico. Un limite definito dalla durezza è diverso. Si tratta di una posizione calcolata a partire da un profilo di indentazioni e da una durezza limite specificata. I due limiti possono non coincidere. Una transizione visibile può essere chimicamente o strutturalmente significativa pur producendo una variazione minima della durezza; al contrario, una diminuzione della durezza può estendersi oltre un limite che appare distinto nella sezione trasversale attaccata metallograficamente. La distinzione è particolarmente importante dopo la tempra a induzione, alla fiamma, a fascio elettronico o laser. Il limite metallografico tra la martensite e il cuore originario può essere irregolare a causa dei gradienti di temperatura, della microstruttura preesistente e delle condizioni di tempra. Un profilo di durezza può collocare la transizione funzionale a una distanza diversa. Anche la direzione di misurazione è importante: un componente con spessore variabile della sezione, curvatura o zone riscaldate sovrapposte può non presentare uno spessore costante dello strato indurito. La norma ISO 18203:2026 sostiene pertanto una modalità di rapporto che identifichi il metodo utilizzato, la posizione del profilo o della sezione, la scala di durezza e il carico, nonché la definizione utilizzata per lo spessore. “Profondità dello strato cementato: 1,2 mm” è un’indicazione incompleta, a meno che il rapporto non specifichi se si tratta di una profondità definita dalla durezza, di una profondità metallografica, dello spessore totale dello strato o di un valore obiettivo specificato dal processo. ### ISO 2639:2002 e profondità dello strato cementato La norma ISO 2639:2002 è specifica per la determinazione e la verifica della profondità degli strati cementati e temprati. Non è un metodo universale per gli strati nitrurati, nitrocarburati, borurati o induriti al laser. Il suo noto approccio basato sulla profondità efficace dello strato si fonda su un profilo di durezza; la profondità efficace viene comunemente determinata fino al punto in cui la durezza scende a 550 HV 1. Deve inoltre essere dichiarata la condizione di applicabilità della norma: la durezza è inferiore a 450 HV 1 a una distanza pari a tre volte la profondità dello strato. HV 1 **HV 1** A Vickers hardness measurement made with a nominal 1 kgf test force, approximately 9.807 N. Questa condizione impedisce di applicare il metodo senza qualificazioni quando il cuore rimane troppo duro o quando il profilo di durezza non presenta la separazione prevista tra strato e cuore. La notazione HV 1 identifica una durezza Vickers misurata con una forza di prova di 1 kgf, pari approssimativamente a 9,807 N. Il carico non è un dettaglio ornamentale. La variazione della forza modifica le dimensioni dell’impronta, la sensibilità alle fasi locali e talvolta il valore riportato, soprattutto in prossimità di una superficie, di un carburo, di un poro o di un limite microstrutturale netto. La norma ISO 2639:2002 è adatta all’acciaio cementato perché la cementazione produce normalmente un gradiente di durezza associato alla concentrazione di carbonio e alla successiva trasformazione durante la tempra. Un cuore povero di carbonio può rimanere al di sotto della durezza limite, mentre la superficie ricca di carbonio forma martensite ad alto tenore di carbonio. Il profilo può quindi mostrare una diminuzione dalla superficie verso il cuore e l’interpolazione può individuare il limite di durezza specificato con maggiore precisione rispetto alla spaziatura delle singole impronte. Il risultato è la profondità efficace dello strato misurata, non necessariamente la profondità prevista dal ciclo di cementazione. La temperatura del forno, il potenziale di carbonio, il tempo, la composizione dell’acciaio, la struttura dei grani preesistente, l’intensità della tempra, il rinvenimento e le condizioni superficiali influenzano tutti il profilo finale. Un componente può soddisfare una profondità di processo calcolata in base al tempo di diffusione, ma non soddisfare il requisito di durezza perché la tempra ha prodotto una quantità eccessiva di bainite o perché il rinvenimento ha ridotto la durezza superficiale. Al contrario, un’elevata durezza superficiale non dimostra che al di sotto di essa sia presente una quantità sufficiente di materiale indurito. Gli strati carbonitrurati richiedono particolare attenzione. La norma ISO 2639:2002 riguarda gli strati cementati e temprati, mentre la carbonitrurazione introduce sia carbonio sia azoto e può modificare la temprabilità, l’austenite residua, i precipitati e la forma del profilo di durezza. Se la norma viene applicata a un prodotto carbonitrurato, il disegno, la specifica o il piano di ispezione devono rendere esplicita tale applicabilità; il risultato non deve essere presentato come se carbonitrurazione e cementazione avessero generato microstrutture identiche. Anche i termini “profondità totale dello strato” e “profondità efficace dello strato” sono diversi. La profondità totale dello strato può indicare l’intero strato alterato chimicamente o metallurgicamente, comprese le regioni la cui durezza è inferiore al limite efficace. La profondità efficace dello strato è una convenzione associata a un criterio di durezza, come 550 HV 1 per uno strato cementato e temprato. Nessuno dei due termini equivale automaticamente alla distanza di diffusione del carbonio. Un profilo del carbonio misurato mediante analisi chimica può estendersi oltre la profondità che soddisfa un requisito di durezza, in particolare quando il cuore presenta una bassa temprabilità o quando la tempra produce prodotti di trasformazione misti. ### HV 1, profili di durezza e criterio di 450 HV 1 Un profilo di durezza Vickers consiste nel disporre una sequenza di impronte dalla superficie trattata verso il cuore. La spaziatura deve essere sufficientemente ridotta da risolvere il gradiente e sufficientemente ampia da impedire che le impronte adiacenti o il bordo della superficie si influenzino reciprocamente. La prima impronta normalmente non viene collocata direttamente sul bordo, poiché gli effetti di bordo, la decarburazione, l’ossidazione, la rugosità e la curvatura possono alterarne il valore. Il rapporto dovrebbe registrare l’orientamento della sezione, la preparazione superficiale, la distanza di ciascuna impronta dalla superficie, i risultati HV 1 e il metodo utilizzato per calcolare il limite. Una singola misurazione superficiale non può rivelare se il profilo diminuisce gradualmente, se contiene un picco di durezza sopra una zona subsuperficiale tenera o se raggiunge un plateau causato da uno strato composto. Su un dente di ingranaggio, un albero o una sezione irregolare possono essere necessari diversi profili, poiché il riscaldamento, la cementazione e la tempra sono raramente uniformi nelle geometrie complesse. Per uno strato cementato valutato secondo la norma ISO 2639:2002, il criterio di profondità efficace di 550 HV 1 e la condizione inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato non devono essere confusi. Il valore di 550 HV 1 individua il limite efficace specificato; la condizione di 450 HV 1 stabilisce se il profilo di durezza è adatto all’applicazione del metodo. Quest’ultima non è una definizione universale della profondità dello strato e non significa che ogni strato debba terminare a 450 HV 1. La nitrurazione illustra perché questa distinzione sia importante. La precipitazione dei nitruri può creare un’elevata durezza superficiale che diminuisce attraverso una lunga zona di diffusione, mentre il cuore può mantenere una durezza relativamente elevata. Un limite a 450 HV 1 o 550 HV 1 può essere inadatto a descrivere lo strato nitrurato funzionale. Possono essere necessari un esame metallografico, l’analisi del profilo dell’azoto, l’identificazione microstrutturale o un criterio di durezza specifico del processo. La stessa cautela si applica alla nitrocarburazione ferritica, nella quale lo spessore dello strato composto e la profondità della zona di diffusione dovrebbero essere riportati separatamente quando entrambi influenzano il comportamento in esercizio. La verifica dovrebbe quindi corrispondere al trattamento e alla proprietà dichiarata. I profili di durezza sono potenti per gli strati induriti mediante trasformazione, ma non sostituiscono la metallografia o la caratterizzazione chimica quando il confine rilevante è di natura composizionale o basato sulle fasi. La norma ISO 18203:2026 fornisce il quadro generale; la norma ISO 2639:2002 fornisce un metodo definito per gli strati cementati. Nessuna delle due norme trasforma la “profondità dello strato cementato” in un numero autoesplicativo. ## Metallografia: interpretazione dello strato indurito Un profilo di durezza fornisce un andamento, non una spiegazione microstrutturale. La metallografia mostra perché il profilo presenta quella forma: se lo strato contiene martensite ad alto tenore di carbonio, bainite, carburi, nitruri o austenite trattenuta; se la transizione verso il cuore è graduale o brusca; e se difetti hanno interrotto lo strato indurito. Le linee guida di ASM International sulla metallografia considerano l’esame microscopico uno strumento per correlare il trattamento, la costituzione delle fasi e i difetti al comportamento in esercizio, non una conferma decorativa della durezza. Questa distinzione è importante perché ASM definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso in modo tale che il suo strato superficiale, o strato cementato, diventi sostanzialmente più duro del cuore. La superficie può essere stata arricchita di carbonio, azoto o entrambi, oppure una composizione esistente può essere stata trasformata mediante riscaldamento localizzato. La microstruttura risultante dipende dalla temperatura di processo, dalla velocità di raffreddamento, dal tenore di elementi di lega e dal successivo rinvenimento. ![Metodi di cementazione dell’acciaio](/images/uploads/3d7c300c-bc91-4f45-a5d2-31a64fb3cc7d/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-metallographic-cross-section-revealing-a-hardened-ca-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/3d7c300c-bc91-4f45-a5d2-31a64fb3cc7d/wiki-inline-a-polished-and-etched-steel-metallographic-cross-section-revealing-a-hardened-ca-1920x1288.avif "Ingrandisci immagine — Metodi di cementazione dell’acciaio")Metallography reveals the phases and defects behind a measured hardness profile. ### Sezionamento, inglobamento, lucidatura e attacco metallografico Il provino deve rappresentare la superficie funzionale e il suo orientamento. Normalmente si esegue una sezione trasversale perpendicolare alla superficie trattata, lasciando una quantità di materiale sufficiente dietro lo strato per includere il cuore. Il taglio dovrebbe limitare il riscaldamento e la deformazione meccanica; un bordo bruciato o strisciato può sembrare un difetto di processo e può mascherare la reale interfaccia. Per un dente di ingranaggio, un albero o una pista di cuscinetto, è importante anche la posizione della sezione, poiché la curvatura, lo spessore della sezione e le condizioni locali di raffreddamento influenzano lo strato. I piccoli pezzi vengono inglobati in resina, mediante resina da compressione a caldo o un sistema a presa a freddo. Il materiale di inglobamento deve sostenere i bordi sottili senza riempire le cricche né estrarre gli strati composti fragili. La molatura procede utilizzando abrasivi progressivamente più fini, seguita dalla lucidatura con sospensioni diamantate o silice colloidale. Una pressione eccessiva può appiattire la superficie, trascinare l’austenite trattenuta tenera oppure spalmare nitruri e carburi attraverso la sezione. La lucidatura finale è quindi una fase metallurgica, non una semplice preparazione per una fotografia. L’attacco metallografico rivela i confini delle fasi e i gradienti composizionali aggredendo preferenzialmente regioni diverse. Una soluzione di nital al 2% viene comunemente utilizzata per gli acciai al carbonio e gli acciai basso-legati, mentre il picral o altri reagenti possono fornire un contrasto migliore tra martensite rinvenuta, bainite e carburi. Il nital può far apparire ingannevolmente priva di caratteristiche una pellicola di ossido, uno strato decarburato o una regione di austenite trattenuta leggermente attaccata. Le superfici nitrurate e nitrocarburate richiedono spesso una lucidatura accurata e un reagente appropriato, poiché lo strato composto è sottile, duro e facilmente fratturabile o asportabile. Dovrebbe essere esaminata anche la condizione lucidata e non attaccata. Essa può rivelare pori, cricche, inclusioni, pellicole di ossido, separazione dello strato composto e strappi da lucidatura che un’immagine dopo attacco può nascondere. La microscopia ottica è generalmente sufficiente per i profili dello strato e per i principali prodotti di trasformazione; la microscopia elettronica a scansione, la diffrazione degli elettroni retrodiffusi, l’analisi con microsonda o la diffrazione dei raggi X possono essere necessarie quando l’identificazione delle fasi o la distribuzione dell’azoto non possono essere risolte otticamente. ### Martensite, bainite, carburi, nitruri e austenite trattenuta Uno strato cementato presenta normalmente martensite ad alto tenore di carbonio dopo austenitizzazione e tempra, spesso con una certa quantità di austenite trattenuta e particelle di carburo. La superficie può essere più grossolana o contenere una maggiore quantità di elementi di lega rispetto alla zona subsuperficiale se il potenziale di carbonio, la temperatura o il tempo di permanenza non sono stati controllati adeguatamente. Un interno a più basso tenore di carbonio si trasforma in una struttura martensitica, bainitica o rinvenuta di durezza inferiore, in funzione del tipo di acciaio e dell’intensità della tempra. La transizione tra strato e cuore dovrebbe essere interpretata come una variazione strutturale, non semplicemente come una linea di confine. La cementazione in atmosfera carbonitrurante introduce carbonio e azoto nell’austenite e normalmente produce uno strato martensitico dopo la tempra. L’azoto può migliorare la temprabilità vicino alla superficie, ma un arricchimento eccessivo può aumentare l’austenite trattenuta o produrre nitruri dopo il raffreddamento. Sia negli acciai cementati sia in quelli carbonitrurati, carburi di lega non disciolti, reticoli di carburi, grani grossolani di austenite precedente e prodotti di trasformazione localmente teneri indicano un problema di processo o di controllo della lega. La bainite può formarsi al di sotto di uno strato martensitico quando il raffreddamento è più lento, nelle sezioni spesse o dopo una tempra interrotta. La sua presenza non costituisce automaticamente un difetto; la sua quantità, morfologia, durezza e posizione ne determinano l’importanza. Una sola banda ad attacco scuro non è un’identificazione affidabile della fase. La nitrurazione differisce fondamentalmente dalla cementazione e dalla cementazione carbonitrurante. L’azoto diffonde nella ferrite al di sotto della temperatura critica, quindi non è richiesta una trasformazione di tempra dall’austenite alla martensite. La zona di diffusione può contenere precipitati di nitruri di lega negli acciai contenenti cromo, molibdeno, vanadio o alluminio, mentre sulla superficie può svilupparsi uno strato composto costituito da nitruri di ferro, comunemente ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N. Anche la nitrocarburazione ferritica introduce carbonio e azoto al di sotto della temperatura critica, producendo generalmente uno strato composto sopra una zona di diffusione di azoto e carbonio, anziché uno strato cementato martensitico. L’austenite trattenuta è particolarmente importante negli strati cementati e carbonitrurati. Può apparire chiara dopo l’attacco, ma il contrasto ottico non è conclusivo. Una quantità eccessiva di austenite trattenuta può trasformarsi durante l’esercizio o la rettifica, modificando le dimensioni e le tensioni residue. La diffrazione dei raggi X, i metodi magnetici o la microscopia quantitativa attentamente calibrata possono integrare la metallografia. ### Strati composti, cricche, porosità e interfacce Uno strato composto nitrocarburato dovrebbe essere valutato in termini di spessore, continuità, costituzione delle fasi, porosità e adesione. Uno strato sottile e continuo può differire nettamente da uno strato poroso o fessurato, anche quando entrambe le superfici presentano una microdurezza simile. I pori vicini alla superficie esterna, una quantità eccessiva di fase ε, reticoli continui fragili e la separazione all’interfaccia tra strato composto e zona di diffusione possono influenzare l’attrito, l’usura e la tribocorrosione. La zona di diffusione sottostante dovrebbe mostrare i precipitati attesi e una variazione graduale verso il cuore. Le sezioni cementate e carbonitrurate devono essere controllate per individuare decarburazione, ossidazione e ossidazione intergranulare. La decarburazione appare come una banda superficiale ferritica o a basso contenuto di martensite e può ridurre la capacità di sopportare il carico. L’ossidazione intergranulare si forma lungo i bordi dei grani di austenite precedente vicino alla superficie quando atmosfere ossidanti del forno penetrano prima che l’arricchimento di carbonio sia completato. Può essere poco profonda ma dannosa, perché i bordi ossidati forniscono percorsi per l’innesco delle cricche. Pellicole di ossido, scaglia e inclusioni non metalliche non devono essere scambiate per fasi della lega. Le cricche di tempra sono generalmente fessure acute e irregolari che si estendono dalla superficie o da concentratori di tensione, spesso con superfici di frattura fresche e prive di ossido se si sono formate durante la tempra. La metallografia può distinguerle dalle cricche di preparazione, che comunemente terminano sulla superficie lucidata o seguono i danni causati dall’inglobamento e dalla molatura. Le bruciature di rettifica possono produrre una banda rinvenuta nuovamente o una banda nuovamente indurita, una risposta all’attacco alterata e tensioni residue di trazione senza creare una cricca aperta evidente. I difetti correlati alla distorsione richiedono l’esame della geometria oltre che della struttura. Un componente può mostrare una microstruttura dello strato accettabile, ma non rispettare i limiti dimensionali perché deformazioni di trasformazione non uniformi, gradienti termici o tensioni residue hanno causato flessione, ovalizzazione o variazioni del profilo del dente. La metallografia non può misurare da sola la distorsione, quindi dovrebbe essere abbinata al controllo dimensionale e, ove necessario, alla misurazione delle tensioni residue. La profondità metallografica dello strato e la profondità dello strato determinata mediante durezza sono correlate, ma non intercambiabili. La norma ISO 2639:2002 determina la profondità dello strato cementato e temprato a partire da un profilo di durezza e utilizza un criterio specifico che prevede una durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente mediante tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser, nonché mediante cementazione carbonitrurante, cementazione e nitrurazione. Una micrografia può identificare il confine visibile della trasformazione, la zona di diffusione o lo strato composto, mentre il metodo della durezza localizza una soglia meccanica specificata. Entrambe le descrizioni sono utili, ma nessuna dovrebbe essere riportata come se fosse l’altra. ## Tribologia e tribocorrosione degli acciai con strato superficiale indurito L’indurimento superficiale non costituisce un’unica condizione tribologica. ASM International lo definisce come il trattamento di un materiale ferroso tale per cui il suo strato superficiale, o strato indurito, diventa sostanzialmente più duro del cuore. Questo strato più duro modifica il contatto, ma il suo effetto dipende dal modo in cui il contatto è sollecitato e da come è stata prodotta la superficie. Un dente di ingranaggio indurito, soggetto a un contatto volvente-strisciante lubrificato, non si danneggia secondo lo stesso processo di un componente di valvola nitrurato in condizioni di lubrificazione limite o di un albero nitrocarburato esposto a un elettrolita. La distinzione è importante perché i trattamenti di indurimento superficiale introducono specie, fasi, profondità e tensioni residue differenti. La cementazione produce una superficie ad alto tenore di carbonio sopra un interno a tenore di carbonio inferiore, normalmente seguita da austenitizzazione, tempra e rinvenimento per formare uno strato martensitico profondo. La carbonitrurazione aggiunge carbonio e azoto all’austenite e si basa normalmente sulla formazione di martensite. La nitrurazione introduce azoto nella ferrite, mentre la nitrocarburazione ferritica introduce sia carbonio sia azoto al di sotto della temperatura critica. Questi ultimi trattamenti possono produrre una zona di diffusione dell’azoto e, quando le condizioni di processo lo consentono, uno strato di composti ferro-carbonio-azoto. Il loro comportamento in termini di attrito e corrosione non può essere dedotto da quello dell’acciaio cementato semplicemente perché tutti sono definiti come acciai con strato superficiale indurito. ### Meccanismi di usura e fatica da contatto Uno strato martensitico profondo è principalmente una struttura portante. La sua durezza ostacola l’aratura abrasiva, la crescita delle giunzioni adesive e la deformazione plastica in prossimità della superficie di contatto, mentre il cuore, più tenace, sostiene lo strato durante gli urti e la flessione ripetuta. Questa combinazione è importante negli ingranaggi, nelle camme e nei contatti volventi-striscianti fortemente caricati. Tuttavia, un’elevata durezza superficiale non impedisce la micropitting, il pitting, il grippaggio o la fessurazione dello strato indurito. La tensione di contatto, il rapporto di strisciamento, l’allineamento, la finitura superficiale, le inclusioni, l’austenite trattenuta, la distribuzione dei carburi, la profondità dello strato e le tensioni residue di compressione o di trazione influenzano tutti il risultato. Nel contatto volvente-strisciante, il taglio ripetuto nel sottosuolo può avviare cricche al di sotto della superficie nominale. Se la profondità effettiva dello strato indurito è troppo ridotta rispetto al campo di tensione applicato, le cricche possono raggiungere la regione di transizione più tenera e accelerare il distacco per sfaldamento. Una superficie molto dura ma fragile può inoltre perdere frammenti quando picchi di rugosità, detriti o carichi sui bordi producono tensioni locali di trazione. L’austenite trattenuta può trasformarsi durante l’esercizio, modificando le dimensioni e le tensioni residue; tale variazione può ridurre o aumentare il danneggiamento a seconda della storia termica e meccanica. La nitrurazione presenta un profilo portante diverso. L’azoto rinforza la zona di diffusione mediante indurimento interstiziale e formazione di nitruri di lega, con una risposta determinata dalla composizione dell’acciaio e dal potenziale di processo. La zona indurita è spesso meno profonda rispetto a uno strato cementato, sebbene il suo gradiente e le tensioni residue di compressione possano contribuire alla resistenza a fatica. Strati di composti eccessivamente spessi o continui possono fessurarsi o distaccarsi sotto urti severi o elevate tensioni hertziane. Uno strato di composti sottile e controllato può ridurre l’usura adesiva, ma le sue prestazioni dipendono comunque dalla rugosità, dal materiale del controcorpo e dalla lubrificazione. La nitrocarburazione ferritica produce comunemente uno strato di composti sopra una zona di diffusione. Durante lo scorrimento, lo strato di composti può fungere da superficie sacrificale chimicamente stabile, mentre la zona di diffusione lo sostiene meccanicamente. Se lo strato è poroso, scarsamente aderente o troppo fragile per il contatto, i detriti di usura diventano un terzo corpo abrasivo. Pertanto, lo spessore dello strato da solo costituisce un criterio di accettazione inadeguato. Le prove di usura devono riprodurre il regime di esercizio. I dati ottenuti con prove su disco e perno a un determinato carico e a una determinata velocità non consentono di classificare i trattamenti per il contatto volvente, il moto oscillatorio o l’ingranamento lubrificato degli ingranaggi. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente mediante tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser, nonché mediante carbonitrurazione, cementazione e nitrurazione; essa supporta la verifica dello spessore dello strato, non una previsione universale dell’usura. ### Attrito e chimica superficiale L’attrito è controllato dal taglio delle asperità, delle pellicole adsorbite, delle pellicole di reazione, degli additivi del lubrificante e dei detriti di usura. La durezza è importante, ma costituisce soltanto una delle variabili. La rugosità modifica l’area reale di contatto e la probabilità di saldatura delle asperità. Le tensioni residue alterano la deformazione in prossimità della superficie e la propagazione delle cricche. Il carico e la velocità di scorrimento determinano se il contatto rimane in condizioni di lubrificazione limite, mista o idrodinamica. Una superficie martensitica cementata può offrire buone prestazioni quando la sua struttura lucidata e rinvenuta è protetta da un’efficace pellicola lubrificante. Tuttavia, se si verifica la rottura della pellicola, l’elevata durezza non elimina il trasferimento adesivo o il grippaggio. Carburi, austenite trattenuta, pellicole di ossido e prodotti del rinvenimento possono modificare il modo in cui gli additivi reagiscono all’interfaccia. Le superfici nitrurate e nitrocarburate modificano spesso l’attrito sia mediante meccanismi meccanici sia mediante meccanismi chimici. I nitruri e i carbonitruri di ferro presenti in uno strato di composti possono subire un taglio diverso rispetto alla martensite rinvenuta, mentre la zona di diffusione limita il cedimento del supporto plastico al di sotto di tale strato. La porosità può trattenere il lubrificante, ma può anche intrappolare soluzioni corrosive o rilasciare particelle. La chimica del lubrificante è determinante: gli additivi contenenti zolfo, fosforo e zinco possono formare tribofilm protettivi, reagire con gli elementi di lega o accelerare l’usura corrosiva in presenza di acqua. È quindi necessario specificare il controcorpo. Superfici di acciaio temprato, ghisa, ceramica, polimero e lega rivestita impongono condizioni diverse in termini di adesione, abrasione, comportamento termico e chimica. Un trattamento che riduce l’attrito contro un determinato controcorpo può aumentare il trasferimento di materiale o l’abrasione da terzo corpo contro un altro. ### Corrosione, tribocorrosione ed effetti del controcorpo Corrosione e usura interagiscono anziché produrre perdite separate. Lo scorrimento rimuove gli ossidi o le pellicole di reazione, espone il metallo fresco e aumenta l’area elettrochimica. La corrosione può rammollire o irruvidire la superficie, generare detriti e rendere più rapida l’abrasione successiva. Questo processo accoppiato è la tribocorrosione. La nitrurazione e la nitrocarburazione vengono spesso selezionate quando le prestazioni in condizioni corrosive sono importanti, perché gli strati superficiali contenenti azoto e gli strati di composti possono modificare le reazioni elettrochimiche. Non sono automaticamente a prova di corrosione. Fori passanti, pori, discontinuità, danni di rettifica e il contatto galvanico con un controcorpo dissimile possono fornire vie per un attacco localizzato. Uno strato di composti può proteggere una regione mentre una regione danneggiata si corrode rapidamente. Anche la martensite cementata dipende fortemente dalla composizione della lega, dal rinvenimento, dalla finitura superficiale, dalla contaminazione del lubrificante e dalle condizioni di esposizione; il solo strato ricco di carbonio non garantisce la resistenza alla corrosione. Il materiale del controcorpo e l’ambiente possono invertire la graduatoria ottenuta in laboratorio. Un controcorpo di acciaio in aria secca può produrre usura ossidativa, mentre una soluzione salina può causare la rimozione delle pellicole, vaiolatura e una perdita accelerata di materiale. Il potenziale elettrico, l’ossigeno disciolto, la concentrazione di cloruri, la temperatura, la pressione di contatto e la frequenza di scorrimento influenzano tutti il risultato. Le prove devono registrare queste condizioni ed esaminare entrambi i membri della coppia, poiché il materiale trasferito e gli effetti galvanici possono fare del controcorpo nominalmente non trattato una parte del meccanismo di cedimento. La verifica dovrebbe combinare i profili di durezza con la metallografia, la misurazione dello strato di composti o della zona di diffusione, la rugosità, la valutazione delle tensioni residue e l’esame delle piste di usura e dei prodotti di corrosione. Per gli strati cementati e induriti, la norma ISO 2639:2002 utilizza la condizione di una durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato per definirne l’applicabilità. Tale criterio di durezza contribuisce a stabilire la profondità dello strato; non misura l’attrito, la vita a fatica da contatto o la resistenza alla tribocorrosione. Queste proprietà richiedono prove adeguate al carico, alla lubrificazione, al controcorpo e all’ambiente effettivi. ## Deformazione, tensioni residue e controllo del processo La condizione finale di un componente indurito superficialmente dipende dall’intero ciclo termico e chimico, non dal nome del trattamento riportato in un disegno. “Cementato”, “nitrurato” o “indurito a induzione” descrivono una famiglia di processi, ma non specificano la velocità di riscaldamento, la chimica superficiale, la condizione delle fasi, la severità della tempra, l’uniformità del raffreddamento, il rinvenimento o lo stato tensionale risultante. ASM International definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso tale per cui il suo strato superficiale, o strato indurito, diventa sostanzialmente più duro del nucleo. La durezza è soltanto uno dei risultati di questo trattamento. ### Deformazione da tempra e variazione dimensionale La cementazione e la carbonitrurazione producono comunemente uno strato austenitico che viene successivamente temprato per formare martensite. La superficie ad alto tenore di carbonio e il nucleo a tenore di carbonio inferiore non trasformano alla stessa temperatura né nello stesso momento. La formazione di martensite provoca un’espansione dell’acciaio, mentre il raffreddamento dalla temperatura di austenitizzazione causa una contrazione termica. La competizione tra queste variazioni può modificare il diametro, la planarità, la concentricità, la spaziatura dei denti e la rettilineità. Per esempio, un ingranaggio cementato può sviluppare un bordo indurito mentre il nucleo continua a raffreddarsi e a contrarsi. Se un lato si raffredda più rapidamente dell’altro, il gradiente termico risultante produce flessione o ovalizzazione. Le sezioni caratterizzate da brusche variazioni di spessore, fori ciechi, cave per linguetta, spigoli vivi e superfici interrotte si raffreddano a velocità diverse. Queste caratteristiche concentrano sia la deformazione di trasformazione sia le tensioni. La deformazione può quindi verificarsi anche quando la temperatura del forno e quella di tempra sembrano rispettare i valori specificati. La scelta della tempra deve essere adeguata al grado di acciaio, alle dimensioni della sezione, alla struttura dello strato richiesta e alla variazione dimensionale ammissibile. Olio, gas pressurizzato, soluzione polimerica, acqua e salamoia impongono velocità diverse di estrazione del calore e rischi differenti di formazione del film di vapore, raffreddamento non uniforme o criccatura. Una tempra meno severa può ridurre la deformazione, ma lasciare una quantità eccessiva di austenite trattenuta o una trasformazione insufficiente del nucleo. Una tempra più severa può aumentare la formazione di martensite, incrementando al contempo le tensioni termiche e di trasformazione. L’agitazione, la densità di carico, l’orientamento dei pezzi e la temperatura del mezzo di tempra sono importanti quanto la denominazione nominale del mezzo. La nitrurazione e la nitrocarburazione ferritica operano generalmente al di sotto della temperatura critica e non richiedono lo stesso ciclo di austenitizzazione e tempra della cementazione. La loro variazione dimensionale è spesso inferiore, ma non è nulla. La crescita dello strato composto, la deformazione della zona di diffusione, le tensioni residue dovute alla lavorazione precedente e i gradienti di riscaldamento o raffreddamento possono comunque modificare le dimensioni critiche. Anche l’indurimento localizzato alla fiamma, a induzione, mediante fascio elettronico o laser è sensibile alla velocità di scansione, alla densità di potenza, alla sovrapposizione e al flusso di calore verso il materiale non riscaldato. La norma ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente ottenuti con tali metodi termici, nonché mediante carbonitrurazione, cementazione e nitrurazione; il metodo utilizzato per creare lo strato deve pertanto essere indicato insieme allo strato misurato. La pre-lavorazione meccanica lascia un sovrametallo destinato a una finitura prevedibile, invece di tentare di rimuovere successivamente la deformazione in modo empirico. Le superfici di riferimento, i fori e i denti degli ingranaggi possono richiedere sovrametalli diversi. I pezzi che non possono tollerare movimenti liberi durante il riscaldamento o la tempra possono richiedere mandrini, anelli di supporto o tempra sotto pressa. Le attrezzature devono sostenere il componente senza ostacolare il flusso del gas né creare un importante dissipatore di calore. Un’attrezzatura che vincola la trasformazione può ridurre il movimento in una direzione, accumulando però tensioni che vengono rilasciate durante la rettifica. ### Tensioni residue e criccatura La tensione residua è la tensione interna che rimane dopo la scomparsa del carico esterno e del gradiente di temperatura. L’indurimento superficiale può produrre una benefica tensione di compressione sulla superficie, in particolare quando uno strato martensitico duro si espande contro un nucleo che ha subito una trasformazione minore. La compressione superficiale può contrastare le tensioni di trazione generate dal carico di contatto o dalla flessione ciclica. È benefica soltanto quando la sua intensità, profondità e uniformità sono controllate. La tensione non controllata è diversa. Una tensione residua di trazione su una superficie rettificata, in un angolo cementato, in una zona decarburata o in una geometria caratterizzata da spigoli vivi può favorire l’innesco di cricche. Bruciature da rettifica, rimozione eccessiva del sovrametallo, martensite non rinvenuta, spessore eccessivo dello strato composto e non uniformità della tempra possono ciascuno generare tensioni locali di trazione. Una cricca può iniziare in corrispondenza di una concentrazione di tensione anche quando la durezza media dello strato soddisfa il requisito del disegno. Il rinvenimento riduce la fragilità della martensite allo stato temprato e consente il rilassamento di una parte delle tensioni di trasformazione. Deve seguire la tempra entro il tempo specificato e a una temperatura adeguata all’acciaio e alle proprietà richieste. Un rinvenimento ritardato è indice di scarso controllo, non una scelta innocua dettata dalla programmazione. Per i pezzi nitrurati e nitrocarburati, la post-ossidazione o altre fasi di finitura possono modificare la chimica superficiale e il comportamento tribologico, mentre la rettifica può rimuovere una parte della zona di diffusione o modificarne il profilo tensionale. La verifica deve comprendere più di un valore di durezza misurato sulla superficie. La profondità dello strato, la durezza del nucleo, l’austenite trattenuta, la distribuzione di carburi o nitruri, lo spessore dello strato composto, la deformazione e le tensioni possono influenzare il comportamento in servizio. La norma ISO 2639:2002 tratta la profondità dello strato cementato e temprato e utilizza una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato per definirne l’applicabilità. La norma ISO 18203:2026 fornisce un quadro più ampio per la misurazione degli strati prodotti con metodi termici e termochimici. Le sezioni metallografiche, i profili di durezza, la misurazione delle coordinate e, ove specificato, la misurazione delle tensioni residue mediante raggi X devono essere correlati alle superfici funzionali e alle direzioni critiche. ### Atmosfera, temperatura, tempo e attrezzaggio Il controllo dell’atmosfera determina ciò che può penetrare nell’acciaio e ciò che può esserne rimosso. Nella cementazione, il potenziale di carbonio governa la forza motrice chimica sulla superficie. Un potenziale troppo basso produce un arricchimento insufficiente di carbonio; uno troppo alto può formare carburi eccessivi, fuliggine o un gradiente di carbonio indesiderato. La temperatura del forno e il potenziale di carbonio devono rimanere uniformi in tutto il carico, non soltanto in corrispondenza di una termocoppia di controllo. La taratura della sonda, il flusso del gas, la disposizione del carico e le perdite dalla porta possono modificare lo strato effettivamente ottenuto. La nitrurazione e la nitrocarburazione richiedono il controllo della dissociazione dell’ammoniaca, del potenziale di azoto, delle aggiunte di gas contenenti carbonio, del contenuto di idrogeno e della circolazione nel forno. La carbonitrurazione aggiunge carbonio e azoto all’austenite e normalmente dipende dalla tempra per l’indurimento martensitico. La nitrocarburazione introduce carbonio e azoto nella ferrite al di sotto della temperatura critica, producendo una zona di diffusione e spesso uno strato composto di ferro-carbonio-azoto. Considerare questi cicli intercambiabili con la cementazione nasconde le loro diverse tensioni di trasformazione e i diversi effetti dimensionali. Anche l’uniformità del riscaldamento è altrettanto importante. Un mozzo spesso e una flangia sottile possono raggiungere il valore impostato in momenti diversi; collocarli insieme non rende identiche le loro storie termiche. Il tempo alla temperatura controlla la diffusione, la crescita dei grani, lo sviluppo dello strato composto e l’entità della trasformazione. Un tempo eccessivo può aumentare la deformazione o la frazione di fasi indesiderate senza risolvere una condizione atmosferica inadeguata. Le termocoppie, i rilievi sul carico, le verifiche di uniformità del forno e i dati registrati del ciclo forniscono evidenza di ciò a cui i pezzi sono stati sottoposti. La mascheratura protegge le superfici che devono rimanere morbide, lavorabili o dimensionalmente stabili. La ramatura, i composti di arresto, gli schermi meccanici e l’attrezzaggio selettivo possono limitare l’esposizione chimica, ma i bordi della mascheratura possono creare transizioni brusche dello strato e concentrazioni locali di tensione. Tali transizioni richiedono un’ispezione. #### Lavorazione meccanica 1. **Lasciare sovrametalli adeguati per il trattamento e la finitura.** Pulizia e staffaggio 2. **Rimuovere i residui nocivi e posizionare il pezzo in modo coerente.** Atmosfera e temperatura 3. **Verificare la chimica del forno, la temperatura e l’uniformità.** Tempra o raffreddamento 4. **Utilizzare condizioni adatte all’acciaio e alla geometria.** Rinvenimento e finitura 5. **Eseguire tempestivamente il rinvenimento, quindi effettuare la finitura senza surriscaldare o rimuovere lo strato richiesto.** Ispezione 6. **Verificare le dimensioni, il profilo di durezza, la microstruttura e le altre proprietà specificate.** Contenuti minimi della specifica È quindi essenziale una sequenza controllata: lavorare il pezzo con sovrametalli adeguati, rimuovere, ove necessario, le tensioni residue preesistenti dannose, pulirlo e attrezzarlo in modo uniforme, verificare l’atmosfera e la temperatura, selezionare la tempra in funzione dell’acciaio e della geometria, eseguire tempestivamente il rinvenimento, quindi procedere alla rettifica o alla levigatura finale senza surriscaldare lo strato. L’ispezione dimensionale finale deve essere affiancata dalla verifica della profondità dello strato e della microstruttura. Il nome del trattamento è l’etichetta; la storia termica, chimica, geometrica e tensionale misurata costituisce il processo reale. ## Come specificare un trattamento di indurimento superficiale **Materiale** Designazione completa della norma e grado Condizione iniziale Condizione di fornitura e durezza iniziale, ove pertinenti Ciclo di trattamento Specie diffondente o metodo di riscaldamento localizzato Definizione dello strato Profondità efficace, profondità totale, strato composto o zona di diffusione Durezza Scala, carico, posizione e intervallo di accettazione Verifica Norma applicabile, piano di campionamento e registri d’ispezione Gruppo di metodi “Indurito superficialmente” non è un requisito misurabile. ASM International definisce l’indurimento superficiale come il trattamento di un materiale ferroso in modo che il suo strato superficiale, o strato indurito, diventi sostanzialmente più duro del nucleo. Questa definizione comprende diversi processi, caratterizzati da chimiche, meccanismi di trasformazione, microstrutture, tensioni e metodi di verifica differenti. Una specifica utilizzabile deve pertanto definire l’acciaio, la sua condizione iniziale, il ciclo di trattamento e il risultato da dimostrare. ### Qualità dell’acciaio e condizione iniziale Indicare l’acciaio mediante la sua designazione completa secondo la norma applicabile, non mediante una descrizione commerciale o un’espressione informale come “acciaio da cementazione”. La specifica dovrebbe identificare la norma di riferimento e la qualità, ad esempio EN 10084 16MnCr5, EN 10084 20MnCr5, EN 10084 18CrNiMo7-6 oppure ASTM A-29/A-29M grade 8620, qualora tale designazione sia quella applicabile al materiale fornito. Se il disegno del componente utilizza una designazione nazionale diversa, indicare esplicitamente l’equivalenza, invece di presumere che numeri simili descrivano composizioni chimiche identiche. Anche la condizione iniziale di trattamento termico rientra nei requisiti. Indicare se il componente è fornito laminato, normalizzato, ricotto, ricotto per sferoidizzazione, bonificato o in un’altra condizione specificata. Includere l’intervallo di durezza iniziale quando questo influisce sulla lavorazione meccanica, sulla risposta al trattamento o sulle proprietà del nucleo. Un ciclo di cementazione applicato a 16MnCr5 ricotto non deve essere specificato nello stesso modo di un indurimento per induzione applicato a 42CrMo4 bonificato. Il processo deve identificare la specie diffondente e il percorso di trasformazione. La cementazione introduce carbonio in un interno a tenore di carbonio inferiore, creando una superficie ad alto tenore di carbonio che viene normalmente indurita mediante austenitizzazione e tempra. La carbonitrurazione introduce sia carbonio sia azoto nell’austenite e forma normalmente uno strato cementato martensitico. La nitrurazione e la nitrocarburazione ferritica operano al di sotto della temperatura critica, dove l’azoto, oppure l’azoto e il carbonio, diffondono nella ferrite senza il ciclo di austenitizzazione e tempra tipico della cementazione. La borurazione e la cromizzazione producono regioni superficiali arricchite di boruri o di carburi/cromo, anziché un convenzionale strato cementato martensitico. I trattamenti termici localizzati richiedono una descrizione specifica. ISO 18203:2026 tratta gli strati induriti superficialmente prodotti mediante tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser, nonché mediante carbonitrurazione, cementazione e nitrurazione. Per un processo termico, specificare il metodo di riscaldamento, la frequenza o l’apporto energetico ove pertinenti, la temperatura di austenitizzazione o la temperatura superficiale, il tempo di riscaldamento o la velocità di scansione, il mezzo di tempra e il rinvenimento. Un processo termico indurisce la composizione superficiale esistente; non aggiunge necessariamente carbonio o azoto. ### Definizioni richieste per profondità e durezza dello strato Specificare se il requisito riguarda lo spessore totale dello strato indurito, la profondità efficace dello strato cementato o un’altra profondità definita. Questi termini non sono intercambiabili. Per l’acciaio cementato e temprato, la profondità efficace dello strato cementato viene comunemente determinata mediante un profilo di durezza: la profondità alla quale la durezza scende al limite specificato, spesso 550 HV, sebbene la norma applicabile, il disegno o il requisito dell’acquirente debbano indicare tale limite. La profondità totale dello strato può invece essere definita metallograficamente, ad esempio come la profondità fino a uno specifico confine microstrutturale. Per i componenti nitrurati e nitrocarburati, distinguere lo strato composto dalla zona di diffusione e indicare se la profondità riportata comprende una delle due regioni o entrambe. ISO 2639:2002 si applica specificamente alla determinazione e alla verifica della profondità efficace dello strato cementato e indurito. Il suo campo di applicazione dichiarato utilizza una condizione di durezza inferiore a 450 HV 1 a una profondità pari a tre volte la profondità dello strato. Tale condizione non deve essere trasferita automaticamente a componenti nitrurati, nitrocarburati, borurati o induriti termicamente. Quando il processo rientra nel suo campo di applicazione, citare ISO 2639:2002 e specificare il criterio di durezza, la scala di durezza, la forza di prova, la direzione del profilo e la posizione dello zero. “Profondità efficace dello strato cementato: 0,8 mm” è incompleto se la specifica non indica anche, ad esempio, “fino a 550 HV 1, misurata dalla superficie finita”. ISO 18203:2026 fornisce il quadro più ampio per lo spessore degli strati induriti superficialmente prodotti mediante metodi termici e termochimici. Citarla quando il requisito riguarda l’indurimento a induzione, alla fiamma, con fascio elettronico o laser, la cementazione, la carbonitrurazione o la nitrurazione, e identificare il metodo utilizzato per calcolare lo spessore dello strato. La profondità specificata deve riferirsi alla superficie funzionale finita, non semplicemente a una superficie allo stato trattato che verrà successivamente asportata mediante rettifica. Se è consentita l’asportazione di materiale, indicare il sovrametallo e la profondità richiesta dopo la lavorazione finale. La durezza deve essere definita mediante scala e carico. Indicare HV 1, HV 0.5, HRC o un’altra scala accettata, con la relativa forza di prova ove applicabile; “durezza 60” non ha alcun significato tecnico. Specificare la posizione di misurazione, ad esempio il diametro primitivo, il fianco del dente, il raccordo al piede, la sede del cuscinetto o una sezione trasversale prelevata perpendicolarmente alla superficie trattata. Indicare se il requisito è un valore minimo, un intervallo o un profilo di durezza con valori massimo e minimo. Una singola lettura superficiale non può stabilire la profondità dello strato, la resistenza del nucleo o l’uniformità attorno a un componente. I requisiti del nucleo devono essere separati da quelli dello strato superficiale. Specificare la durezza del nucleo, le proprietà a trazione o di snervamento ove richieste e la microstruttura ammissibile. Un ingranaggio cementato può richiedere uno strato cementato martensitico, un tenore controllato di austenite residua, reti di carburi limitate e un nucleo martensitico rinvenuto. Un componente nitrurato può richiedere limiti relativi allo spessore e alla continuità dello strato composto, anziché un requisito di martensite temprata. Queste distinzioni impediscono che un certificato di processo venga accettato semplicemente perché una singola impronta superficiale soddisfa un determinato valore di durezza. ### Criteri di accettazione e rapporti La specifica dovrebbe identificare il piano di campionamento, le posizioni di ispezione, la sezione di prova e il momento dell’ispezione. Indicare se la durezza viene misurata prima o dopo la rettifica finale, come vengono preparate le superfici di prova e come viene tenuto conto del materiale asportato. Per la verifica della profondità dello strato, richiedere un profilo di durezza con letture a incrementi definiti dalla superficie verso il nucleo. Il rapporto dovrebbe registrare ogni lettura oppure fornire il profilo completo, non soltanto la profondità calcolata sulla base di esso. I requisiti metallografici dovrebbero indicare la sezione e le caratteristiche da esaminare. A seconda del trattamento, riportare le microstrutture dello strato e del nucleo, la morfologia della martensite, l’austenite residua, i carburi, i nitruri, lo strato composto, la zona di diffusione, la decarburazione, l’ossidazione, le cricche e l’eccessiva crescita del grano. L’attacco con nital può evidenziare uno strato cementato martensitico, mentre gli strati nitrurati e nitrocarburati richiedono spesso un metodo di esame adeguato al loro strato composto e alla loro zona di diffusione. I limiti di accettazione devono essere indicati, anziché lasciati all’interpretazione personale dell’ispettore. Sono ugualmente necessari i requisiti dimensionali e superficiali. Indicare i limiti di deformazione per eccentricità, rotondità, profilo del dente, inclinazione, planarità o altra geometria funzionale, insieme ai limiti di lavorazione dopo il trattamento. Specificare i valori ammissibili per bruciature di rettifica, cricche di tempra, zone tenere, scaglia, ossidazione intergranulare e rugosità superficiale. La tensione residua non si deduce dalla durezza; se influisce sulla fatica, sull’usura, sull’attrito o sulla tribocorrosione, specificare il metodo e la posizione di misurazione. Infine, richiedere un rapporto che identifichi il ciclo del forno o dell’apparecchiatura, l’atmosfera o la composizione dei gas, le temperature, i tempi, le condizioni di tempra e rinvenimento, la tracciabilità del lotto, i risultati di durezza, il metodo di determinazione della profondità dello strato, i risultati metallografici e il controllo dimensionale. Il documento dovrebbe indicare la norma applicabile — ISO 18203:2026, ISO 2639:2002 o un altro metodo nominato — e ogni deviazione definita dall’acquirente. Senza questi dettagli, “indurito superficialmente” descrive un’intenzione, non un criterio di accettazione. ## Quadro decisionale comparativo per i metodi di indurimento superficiale L’indurimento superficiale è definito da ASM International come il trattamento di un materiale ferroso in modo tale che il suo strato superficiale, o strato indurito, diventi sostanzialmente più duro del nucleo. Questa definizione descrive un risultato, non un singolo ciclo di forno. La scelta del trattamento dipende dalle proprietà richieste per la superficie e per il nucleo, dal grado di acciaio e dalle sue condizioni iniziali, dalla geometria del componente, dal ciclo produttivo e dalla norma di misurazione utilizzata per verificare il risultato. La prima decisione consiste nello stabilire se sia necessario modificare la composizione della superficie. Cementazione, carbonitrurazione, nitrurazione, nitrocarburazione, cianurazione, borurazione e cromizzazione introducono carbonio, azoto, boro o cromo nella superficie. La tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser, invece, trasformano una composizione chimica dell’acciaio già esistente mediante riscaldamento e raffreddamento localizzati. ISO 18203:2026 riguarda gli strati induriti superficialmente prodotti da tali metodi termici, nonché mediante cementazione, carbonitrurazione e nitrurazione. ### Quando la cementazione o la carbonitrurazione sono concettualmente appropriate La cementazione è concettualmente appropriata quando un componente necessita di una superficie martensitica dura e resistente all’usura, sovrapposta a un interno tenace e a basso tenore di carbonio. Il processo crea una superficie ad alto tenore di carbonio sopra un nucleo a basso tenore di carbonio. Lo strato arricchito viene generalmente austenitizzato e temprato, producendo martensite ad alto tenore di carbonio in superficie, mentre nel nucleo si sviluppa una struttura di trasformazione a più basso tenore di carbonio e più tenace. Il rinvenimento regola quindi durezza, tenacità e stabilità dimensionale. Questo processo è adatto a componenti i cui carichi di esercizio combinano sollecitazioni di contatto in superficie con sollecitazioni di flessione o d’urto nel corpo del componente. Ingranaggi, alberi, perni e componenti simili richiedono spesso questo gradiente di proprietà, ma la decisione non può essere presa basandosi soltanto sul nome del componente. Uno strato cementato può contenere austenite residua, carburi o un gradiente di carbonio che influiscono sulla formazione di cricche, sulle variazioni dimensionali, sul comportamento al contatto volvente e sulla fatica. La profondità richiesta dello strato deve pertanto essere specificata insieme alla durezza del nucleo e alla microstruttura del nucleo, non come semplice valore di durezza superficiale. La carbonitrurazione introduce nell’austenite sia carbonio sia azoto e normalmente produce, dopo la tempra, uno strato indurito martensitico. Rispetto alla cementazione, la finestra di processo e l’architettura dello strato possono essere selezionate per ottenere uno strato arricchito relativamente poco profondo, mentre l’azoto influisce sulla temprabilità e sulla risposta della superficie. È concettualmente utile quando la geometria o il ciclo produttivo favoriscono uno strato termo-chimico meno profondo e quando la distorsione da tempra rimane gestibile. Anche la cianurazione introduce carbonio e azoto, storicamente mediante processi in bagni di sali contenenti cianuri. La sua inclusione in un confronto è necessaria, ma la sua scelta dipende dalla chimica controllata, dalle misure di sicurezza ambientale, dalla gestione del bagno e dalle condizioni richieste per lo strato; non deve essere considerata intercambiabile con la moderna carbonitrurazione. Sia la cementazione sia la carbonitrurazione impongono un ciclo di trasformazione. Austenitizzazione, tempra e rinvenimento creano lo strato, ma costituiscono anche le principali fonti di distorsione e tensioni residue. Sezioni sottili, raccordi bruschi, fori e forme asimmetriche richiedono particolare attenzione alla severità della tempra e alla progettazione dei dispositivi di fissaggio. ### Quando la nitrurazione o la nitrocarburazione sono concettualmente appropriate La nitrurazione è appropriata quando è necessaria una superficie dura contenente azoto, senza ricorrere all’intero ciclo di cementazione e tempra. L’azoto diffonde nella ferrite al di sotto della temperatura critica, formando nitruri di lega e una zona di diffusione; a seconda della composizione dell’acciaio e del controllo del processo, sulla superficie può formarsi uno strato composto. Gli acciai da nitrurazione contenenti cromo, molibdeno, alluminio o vanadio possono reagire mediante la formazione stabile di nitruri di lega, mentre gli acciai al carbonio semplici non offrono la stessa risposta per precipitazione. Poiché il trattamento viene eseguito al di sotto della temperatura critica, il nucleo non subisce la trasformazione austenitica associata alla cementazione. Ciò può ridurre la distorsione legata alla tempra, sebbene la crescita dimensionale, le tensioni preesistenti, la storia di lavorazione e la formazione di strati composti fragili o eccessivamente spessi influenzino comunque l’accuratezza dimensionale e la durata in esercizio. La nitrurazione è quindi concettualmente adatta a componenti già bonificati che necessitano di una superficie dura mantenendo inalterate le proprietà del nucleo. Anche la nitrocarburazione diffonde carbonio e azoto nella ferrite al di sotto della temperatura critica. Nonostante il nome simile, differisce fondamentalmente dalla carbonitrurazione: la carbonitrurazione arricchisce l’austenite e normalmente si basa sulla formazione di martensite, mentre la nitrocarburazione forma una zona di diffusione ferritica e può generare uno strato composto di ferro-carbonio-azoto. La nitrocarburazione ferritica viene scelta quando il comportamento all’usura, all’attrito, al grippaggio o alla tribocorrosione dipende da tale architettura superficiale anziché da uno strato martensitico profondo. Lo strato composto deve essere specificato in base a composizione, spessore, porosità e continuità; uno strato più spesso non è automaticamente uno strato migliore. La borurazione e la cromizzazione seguono una logica composizionale diversa. La borurazione forma fasi di boruri dure, mentre la cromizzazione introduce cromo nella superficie e può formare fasi o composti ricchi di cromo. Entrambe possono modificare la risposta all’abrasione, all’attrito e alla corrosione, ma la questione rilevante è se la struttura delle fasi risultante, l’adesione, la profondità e le tensioni residue siano adatte alle condizioni di esercizio. Dalla durezza nominale della superficie non deriva alcuna classifica universale. ### Quando l’indurimento termico localizzato è concettualmente appropriato L’indurimento termico localizzato è appropriato quando l’acciaio possiede già il tenore di carbonio richiesto e devono essere indurite soltanto determinate superfici. La tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser riscalda una regione controllata fino all’intervallo austenitico, seguita da un’autotempra o da una tempra applicata. Lo strato indurito è quindi una regione trasformata dell’acciaio originale, anziché uno strato arricchito chimicamente. Questo approccio può conservare un nucleo più morbido e tenace ed evitare il trattamento di superfici che non sopportano carichi di contatto o di usura. È particolarmente sensibile alla geometria: la direzione di scansione, gli spigoli, le variazioni di diametro, lo spessore delle pareti, l’estrazione del calore e l’accessibilità della sorgente di riscaldamento determinano la profondità e la continuità della zona indurita. L’induzione può seguire il profilo programmato di un induttore; i metodi laser e con fascio elettronico possono localizzare l’energia in modo più concentrato; la tempra alla fiamma dipende fortemente dal movimento della torcia e dal bilancio termico. Queste differenze influiscono sulle tensioni residue, sui segni di sovrapposizione, sulle zone molli e sulla distorsione. La verifica deve essere coerente con il processo e con la proprietà definita. ISO 18203:2026 fornisce un quadro per la misurazione dello spessore degli strati induriti superficialmente mediante trattamenti termici e termo-chimici. Per gli strati cementati e temprati, ISO 2639:2002 utilizza un criterio di durezza inferiore a 450 HV 1 a tre volte la profondità dello strato per definire l’applicabilità. Una specifica valida dovrebbe identificare la scala di durezza e il carico, la direzione del percorso di misurazione, la definizione della profondità efficace o totale dello strato, la posizione del campionamento e i limiti di accettazione. Può essere necessaria un’analisi metallografica per distinguere martensite, austenite residua, carburi, nitruri, boruri, fasi ricche di cromo e strati composti che la sola durezza non è in grado di identificare. La selezione del trattamento deve corrispondere alla condizione definita di superficie e nucleo che può essere prodotta e verificata per l’acciaio e il servizio previsto. | Meccanismo | Architettura tipica dello strato | Principale oggetto della specifica | Cementazione e carbonitrurazione | |---|---|---|---| | Arricchimento dell’austenite seguito dalla tempra | Strato martensitico e transizione verso il nucleo | Profondità efficace, struttura del nucleo, austenite trattenuta | Nitrurazione e nitrocarburazione | | Diffusione nella ferrite al di sotto della temperatura critica | Zona di diffusione con possibile strato composto | Separazione degli strati, equilibrio delle fasi e profilo di durezza | Cianurazione | | Carbonio e azoto forniti attraverso un processo in bagno di sali | Strato martensitico arricchito poco profondo | Chimica del bagno, controlli di sicurezza e profondità indurita | Borurazione e cromizzazione | | Formazione di regioni di boruri o contenenti cromo | Strato di reazione o di diffusione | Costituzione delle fasi, aderenza e fragilità | Indurimento alla fiamma, a induzione, mediante fascio elettronico e al laser | | Austenitizzazione e trasformazione localizzate | Zona martensitica trasformata | Schema di riscaldamento, profondità di transizione e distorsione | La scelta corretta dipende dalla condizione richiesta di superficie e nucleo, non da una graduatoria generica dei metodi. | HV 1 Strong evidence Un confronto neutrale segue il meccanismo. Cementazione e carbonitrurazione aggiungono carbonio, oppure carbonio e azoto, all’austenite e generalmente creano uno strato martensitico temprato; nitrurazione e nitrocarburazione aggiungono azoto, oppure azoto e carbonio, al di sotto della temperatura critica e producono zone di diffusione con possibili strati composti; la cianurazione combina carbonio e azoto mediante un processo in bagno di sali; borurazione e cromizzazione formano regioni superficiali chimicamente distinte, contenenti boruri o cromo; la tempra alla fiamma, a induzione, con fascio elettronico e laser trasformano localmente l’acciaio esistente. Di conseguenza, differiscono i relativi intervalli di temperatura, le architetture degli strati, le risposte del nucleo, i rischi di distorsione, i limiti geometrici e le procedure di verifica. La domanda ingegneristica corretta non è quale metodo sia “migliore”, ma quale condizione definita di superficie e nucleo possa essere prodotta e verificata per l’acciaio e per le condizioni di esercizio. **Cementazione in sintesi** Requisito fondamentale Interno più tenace e tollerante al danneggiamento Requisito superficiale Durezza superiore a quella del nucleo Verifica fondamentale Profilo di durezza, microstruttura, distorsione e tensione residua Norme principali di misurazione ISO 2639:2002 e ISO 18203:2026 [Torna a Trattamento termico](/it/wiki/trattamento-termico "Trattamento termico — Steel Wiki")