Nitrurazione, Nitrocarburazione e Solfonitrurazione
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16 - Ott - 2019
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NITRURAZIONE

La nitrurazione (UNI 5478) e' un trattamento di indurimento superficiale condotto a temperature relativamente contenute (480°C-570°C) in condizioni tali da consentire una diffusione di azoto nella superfice del particolare. Gli strati superficiali generati sono caratterizzati da un'ottima resistenza all'usura adesiva, al grippaggio e all'abrasione meccanica.

L'azoto attivo in forma atomica (azoto nascente)si diffonde nel reticolo cristallino dell'acciaio grazie alla dissociazione dell'ammoniaca per effetto catalitico del ferro:

2NH3 ==>2N + 3H2

Considerando che in funzione della temperatura alla quale viene condotto il processo si ottiene una dissociazione dell'ammoniaca parziale, se l'azoto nascente (forma attiva), non diffonde nell'acciaio, si trasforma in azoto molecolare (forma inattiva) per cui è necessario un continuo flusso di ammoniaca affinché la reazione continui. L'azoto forma con 'acciaio nitruri durissimi di natura diversa a seconda della composizione dell'acciaio e soprattutto in funzione della temperatura di trattamento e della % di azoto diffusa. Attraverso il diagramma di stato Fe – N è dunque possibile individuare i costituenti che l’azoto forma con il ferro alle varie temperature.

La struttura superficiale dei particolari nitrurati è condizionata dalle modalità seguite nel processo di nitrurazione oltre che dalla composizione chimica e dal trattamento precedente alla nitrurazione. Il processo è influenzato da molteplici variabili:

  • Grado di dissociazione. (È il rapporto tra ammoniaca dissociata e ammoniaca aggiunta. Esso varia tra il 15% e il 35% ed è molto importante, ai fini della velocità di diffusione e soprattutto al contenimento dello spessore della coltre bianca).
  • Temperatura di trattamento. (Temperature basse favoriscono la formazione della coltre bianca e l'ottenimento di durezze superficiali elevate, mentre le temperature più elevate aumentano la velocità di diffusione, riducono la durezza superficiale, ma riducono anche la formazione di coltre bianca).
  • Tempo di permanenza.
  • Composizione chimica degli acciai (gli elementi presenti nell'acciaio influenzano nettamente la durezza superficiale e la velocità di diffusione dell'azoto).
  • Trattamenti preliminari (si ricorre a trattamenti preliminari tali da conferire caratteristiche meccaniche a cuore le massime possibili compatibilmente con la temperatura da raggiungere in nitrurazione, in modo che lo strato duro che si ottiene abbia un supporto adeguatamente resistente).

Importantissimo è che questi trattamenti siano effettuati lasciando un adeguato sovrametallo (da asportare prima della nitrurazione) o utilizzando atmosfere protettive (o forni sotto vuoto), in modo da nitrurare pezzi esenti da decarburazione superficiale. Tale anomalia favorisce (insieme ad una bassa % di C, ad un basso grado di dissociazione e ad una bassa temperatura) la formazione della coltre bianca.

DEFORMAZIONI: Per effetto della nitrurazione i pezzi aumentano leggermente di dimensione (circa 10 micron per 100 mm) a causa dell'aumento di volume che si verifica nello strato superficiale. Dopo raffreddamento a temperatura ambiente deriva uno stato di tensione a cuore e di compressione in superficie, responsabile della deformazione dei pezzi, che dipende anche dalla composizione dell'acciaio, dalla temperatura di rinvenimento, da quella di nitrurazione, dal tempo di trattamento e dalle dimensioni e forma dei pezzi.

Vantaggi: Bassa temperatura di esercizio e contenute deformazioni. Non e' necessaria tempra per conferire durezza. Le durezze ottenute rimangono invariate se sottoposte a riscaldi fino a 500°C.

Svantaggi: Elevati tempi di conduzione del processo. Basse profondita' ottenibili (inferiori a 0.7 mm)

  

NITROCARBURAZIONE

Un processo termochimico di indurimento superficiale condotto in fase ferritica a temperature relativamente contenute (550°C-580°C) ed in condizioni tali da ottenere nella zona superficiale del pezzo una diffusione di azoto e carbonio. I mezzi di propagazione utilizzati nell'esecuzione del processo si suddividono in:

  • Bagni salini
  • Gas
  • Plasma

Il sistema attualmente piu' diffuso e' quello gassoso (il primo brevetto fu il Nitemper-IPSEN seguito con piccole varianti da molteplici aziende e riproposto sul mercato con altrettante differenti denominazioni come il Deganit della "Degussa" e il Nitroc dell’"Aichelin"). Analogamente a quanto accade per i bagni salini (Nitrurazione morbida, Tenifer a base di cianuro o TF1 ), questo processo termico permette di ottenere strati superficiali con elevate durezze legate a buone caratteristiche allo sfregamento e miglioramento della resistenza a fatica e corrosione. A differenza del bagno in sale, il trattamento in gas raggiunge un elevato grado di uniformità e pulizia (cavità cieche, gole, filetti ecc.) oltre che una maggiore compattezza dello strato indurito. Le temperature adottate garantiscono il contenimento delle deformazioni e la possibilità di eseguire il processo su superfici finite.

Anche per la nitrocarburazione ferritica le caratteristiche metallurgiche degli strati dipendono essenzialmente dalla composizione chimica dell’acciaio da trattare e dal suo stato. Infatti si possono ottenere durezze superficiali HV03 750-900 nel caso di acciai per utensili e da nitrurazione (Tipo 38CrAIMo7 allo stato temprato e rinvenuto), HV03 500-600 nel caso di acciai da bonifica legati (Tipo 38NiCrMo4 bonificato), HV03 450-500 nel caso di acciai da bonIfica al solo carbonio (Tipo C40 bonificato) e HV03 400-450 nel caso di acciai a basso contenuto di carbonio (per es. C10 e FePO4).

Nella nitrocarburazione ionica il processo è praticamente lo stesso ad eccezione della temperatura che è di 570°C e dell'atmosfera che è costituita da ammoniaca e metano. Con il processo ionico è possibile variare a piacimento, oltre la profondità, anche il tipo di costituente superficiale. E’ possibile quindi determinare la formazione degli strati (Fe4N) o (Fe2-3CxNy) nel caso di organi che devono resistere alla fatica e/o all'usura. Tale processo si sta affermando proprio per questa versatilità soprattutto per particolari di grande importanza. La pressione interna è di circa 0,15 -15 Torr mentre la tensione applicata varia da 400V a 1000V: in questo caso il gas è costituito dal 50% di metano e 50% dl ammoniaca immesso normalmente a pressione "pulsante" (400 -100 Torr con circa 10 min. d’intervallo). Gli strati ottenuti sono simili a quelli che si ottengono con il processo Nitemper.

Per aumentare la resistenza alla corrosione, e' possibile innescare un'ossidazione controllata nella fase finale del trattamento (comunemente chiamata Post-Ossidazione). Attraverso la formazione di un particolare ossido di ferro, la magnetite Fe3O4, si possono ottenere ottimi risultati di protezione contro la corrosione oltre che un gradevole aspetto estetico simile alla brunitura.

VANTAGGI: Contenute deformazioni. Non e' necessaria tempra per conferire durezza. Gli strati trattati sono ben ancorati resistenti alla corrosione.

SVANTAGGI: Zone indurite estremamente sottili. Problemi ambientali per l'impiego e lo smaltimento dei sali impiegati.

 

SOLFONITRURAZIONE

Processo termochimico (UNI 7359) anti-usura ed antigrippante condotto in fase ferritica a temperature comprese tra 560°C e 580°C per una durata che varia da 1 a 4 ore di permanenza. Esso viene eseguito immergendo i particolari meccanici in bagni di sali fusi a base di cianuro (Sulfinuz) o bagni ecologici (Sursulf) in grado di cedere alla superfice del pezzo carbonio, azoto e zolfo. Nei bagni a base di cianuro avvengono le stesse reazioni di ossidazione del cianuro viste a proposito dei trattamenti di nitrocarburazione salina: inoltre lo zolfo presente nei bagni come solfito viene ridotto in solfuro. Lo zolfo presente nel bagno agisce come acceleratore per cui il cianato si forma più rapidamente rispetto allo stesso bagno senza zolfo. Nei bagni Sulfinuz non è necessaria l’aerazione. Il cianato formatosi si decompone cataliticamente sulla superficie degli acciai e libera CO e azoto nascente. L’ossido di carbonio si decompone per liberare carbonio attivo che, con l’azoto, diffonde nel materiale. Nei bagni esenti da cianuro (Sursulf) formati da cianati e carbonati è ancora presente lo zolfo ma, durante il processo viene insufflata aria. Con tale processo non è necessario togliere sali esausti e aggiungere nuovo bagno: viene aggiunto un sale (rigeneratore) che riporta in equilibrio i componenti della miscela, trasforma cioè i carbonati in cianati.

Questo trattamento lo si esegue principalmente su acciai da costruzione ed acciai da bonifica.

 

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