Il 20MnCr5 è un acciaio da cementazione a basso tenore di carbonio ampiamente utilizzato per componenti meccanici che richiedono una combinazione di durezza superficiale, resistenza all'usura, resistenza alla fatica e un nucleo interno tenace. È comunemente identificato dal numero di materiale 1.7147 e appartiene alla famiglia degli acciai da cementazione utilizzati per ingranaggi e altri componenti di trasmissione. I suoi elementi di lega di manganese e cromo conferiscono una buona temprabilità, mentre il suo contenuto relativamente basso di carbonio consente al nucleo di mantenere una tenacità utile dopo la cementazione e la tempra. Queste caratteristiche rendono il 20MnCr5 particolarmente adatto per componenti esposti a contatto ripetuto, attrito, coppia e carichi ciclici.

Il materiale è frequentemente utilizzato per ingranaggi, pignoni, alberi, ruote dentate, boccole, camme, giunti, pignoni, parti di trasmissione e altri componenti portanti. I cambi e gli ingranaggi degli assali sono applicazioni particolarmente tipiche perché questi componenti richiedono superfici di lavoro dure pur resistendo a carichi d'impatto e di flessione. Un componente completamente duro e fragile può rompersi sotto carichi d'urto, mentre un componente morbido può subire un rapido usura superficiale. La cementazione consente al 20MnCr5 di fornire entrambe le proprietà all'interno dello stesso pezzo: uno strato esterno temprato per la resistenza all'usura e un nucleo più tenace per il supporto strutturale.

La lavorazione CNC è una fase importante nella produzione di pezzi in 20MnCr5. La maggior parte delle operazioni di lavorazione viene eseguita prima della cementazione e della tempra finale perché l'acciaio è considerevolmente più facile da tagliare nella sua condizione più morbida. La tornitura CNC può produrre diametri esterni, spalle, scanalature, conicità, filettature, sedi di cuscinetti, fori e altre caratteristiche rotazionali. La fresatura CNC è adatta per superfici piane, scanalature, cave per chiavetta, tasche, facce di montaggio e geometrie complesse. Foratura, alesatura, brocciatura e lavorazione degli ingranaggi possono anche essere integrate nel processo di produzione a seconda del progetto.

Sebbene il 20MnCr5 sia lavorabile prima della tempra, non si comporta esattamente come un acciaio da lavorazione libera. Utensili da taglio, avanzamenti, velocità del mandrino, bloccaggio del pezzo e erogazione del refrigerante devono essere selezionati in base alla condizione del materiale e alla geometria del pezzo. Gli utensili in metallo duro sono comunemente utilizzati per la produzione CNC perché forniscono una buona resistenza all'usura e prestazioni di taglio stabili. Setup rigidi aiutano a ridurre le vibrazioni durante la lavorazione di fori profondi, alberi lunghi, sezioni sottili e caratteristiche interrotte. Anche l'evacuazione efficace dei trucioli è importante, in particolare durante la foratura e la tornitura interna.

Una tipica sequenza di produzione inizia con la selezione di barre, forgiati o altri materiali idonei, seguita dalla lavorazione grezza. Il materiale in eccesso viene rimosso mentre le tolleranze di lavorazione vengono mantenute sulle dimensioni che richiederanno alta precisione dopo il trattamento termico. La semi-lavorazione può quindi creare la maggior parte della geometria finale prima della cementazione. Diametri critici, superfici di appoggio dei cuscinetti, superfici di tenuta e caratteristiche di ingranaggi di precisione vengono spesso lasciati deliberatamente leggermente sovradimensionati perché il trattamento termico può causare cambiamenti dimensionali.

La cementazione è uno dei trattamenti distintivi per il 20MnCr5. Durante la cementazione, carbonio aggiuntivo viene introdotto nella regione superficiale del componente a temperatura elevata. La successiva tempra trasforma questo strato arricchito di carbonio in una cassa ad alta durezza, mentre il nucleo a basso contenuto di carbonio mantiene una maggiore tenacità. Questa combinazione aiuta i componenti a resistere all'usura per scorrimento, alla fatica da contatto rotante e ai carichi meccanici ripetuti. La profondità della cassa necessaria dovrebbe essere specificata in base alle dimensioni del componente, ai carichi previsti, alle condizioni di contatto e ai requisiti ingegneristici piuttosto che utilizzare un unico valore per ogni pezzo.

La distorsione del trattamento termico deve essere considerata prima che la lavorazione CNC sia completata. Gli alberi possono subire una leggera flessione, i fori possono spostarsi e le caratteristiche circolari possono perdere parte della loro rotondità durante il riscaldamento e la tempra. Pareti sottili e componenti asimmetrici sono generalmente più sensibili ai cambiamenti dimensionali. I produttori devono quindi considerare la tolleranza di lavorazione e la strategia di finitura durante la pianificazione del processo piuttosto che tentare di lavorare tutte le dimensioni critiche alla dimensione finale prima del trattamento termico.

Dopo la cementazione e la tempra, la rettifica viene comunemente utilizzata per ripristinare la precisione. La rettifica cilindrica può finire i perni degli alberi, le sedi dei cuscinetti, i diametri esterni e le superfici di posizionamento. La rettifica interna può essere necessaria per fori di precisione, mentre la rettifica piana può produrre accurate superfici di accoppiamento piane. La rettifica degli ingranaggi può essere richiesta quando la precisione dei denti degli ingranaggi e la qualità della superficie sono particolarmente importanti. La tornitura dura può talvolta sostituire la rettifica per geometrie adatte, ma la scelta del processo dipende dalla tolleranza, dalla rugosità superficiale, dalla rigidità del pezzo, dal volume di produzione e dai requisiti funzionali.

La finitura superficiale per il 20MnCr5 dovrebbe sempre essere selezionata in base a come funzionerà il pezzo. La cementazione stessa modifica le proprietà della superficie ma è principalmente un processo di trattamento termico piuttosto che un rivestimento decorativo. Per molti ingranaggi e parti di trasmissione, la cementazione seguita dalla rettifica fornisce la superficie funzionale richiesta senza un rivestimento aggiuntivo. Altri componenti, tuttavia, possono richiedere ulteriore protezione contro la corrosione o condizioni ambientali specifiche.

L'ossidazione nera può essere applicata quando si desidera un aspetto scuro e una protezione limitata dalla corrosione. Produce un sottile strato di conversione e causa un cambiamento dimensionale relativamente piccolo, che può essere utile per componenti meccanici di precisione. I rivestimenti fosfatici possono anche essere utilizzati per fornire una superficie protettiva e migliorare la ritenzione del lubrificante. L'olio protettivo viene frequentemente combinato con il trattamento di ossidazione nera o fosfatazione per migliorare la resistenza alla corrosione a breve termine durante lo stoccaggio e il trasporto.

La nichelatura, la zincatura o altri rivestimenti protettivi possono essere considerati per pezzi esposti ad ambienti corrosivi, ma la scelta del rivestimento richiede un'attenta valutazione. Lo spessore del rivestimento può influire su accoppiamenti di precisione, filettature, sedi di cuscinetti e superfici di accoppiamento. Le aree con requisiti dimensionali rigorosi potrebbero richiedere mascheratura o finitura post-rivestimento. I produttori dovrebbero quindi confermare se le dimensioni del disegno si riferiscono alla condizione prima o dopo la placcatura.

La pallinatura può essere considerata per componenti in 20MnCr5 critici per la fatica. Il processo introduce tensioni residue compressive benefiche nella superficie e può migliorare la resistenza all'innesco di cricche di fatica in condizioni adeguate. È particolarmente rilevante per alcuni ingranaggi, alberi e altri pezzi sottoposti a carichi ciclici. Tuttavia, i parametri di pallinatura devono essere adattati al componente piuttosto che trattati come un requisito di finitura universale.

Anche la rugosità superficiale ha un'influenza importante sulle prestazioni. Una superficie lavorata genericamente può essere accettabile per aree non a contatto, mentre i perni dei cuscinetti, le superfici di tenuta e le regioni di contatto degli ingranaggi possono richiedere finiture molto più lisce. Rettifica, levigatura, lappatura o lucidatura possono essere utilizzate dove necessario. I progettisti dovrebbero specificare i requisiti funzionali della superficie sul disegno in modo che il produttore possa determinare quali aree richiedono una finitura aggiuntiva.

L'ispezione dovrebbe coprire sia le dimensioni che i risultati del trattamento termico. Le caratteristiche lavorate a CNC possono essere misurate con micrometri, alesametri, calibri di altezza, macchine di misura a coordinate o maschere dedicate. I componenti temprati possono anche richiedere test di durezza, verifica della profondità della cassa, misurazione della rugosità superficiale e ispezione degli ingranaggi. Il controllo delle dimensioni critiche dopo il trattamento termico è particolarmente importante perché un pezzo che era entro tolleranza prima della cementazione può cambiare durante il ciclo termico.

Il 20MnCr5 è quindi ben adatto per componenti di precisione in cui la resistenza all'usura e la tenacità del nucleo devono lavorare insieme. La produzione di successo dipende dal trattamento della lavorazione CNC, della cementazione, della rettifica, della finitura superficiale e dell'ispezione come un unico processo coordinato. Quando le tolleranze di lavorazione, la distorsione del trattamento termico, i requisiti superficiali e le tolleranze finali vengono considerati fin dall'inizio, il 20MnCr5 può fornire prestazioni affidabili per ingranaggi, alberi, pignoni, componenti di trasmissione e altre parti lavorate a CNC esigenti.