La nitrurazione per la qualità del tuo acciaio

Migliorare le caratteristiche meccaniche dell’acciaio è sempre possibile. Senza dubbio è d’importanza vitale che tu possa bene orientarti nel mondo complesso dei trattamenti, scegliendo il più adatto alle esigenze, diverse caso per caso. Facciamo il punto, in quest’articolo, su un trattamento che innalza la qualità dell’acciaio aumentandone la durezza superficiale.

 

Primo: la nitrurazione ha cinque grandi punti di forza

Che i trattamenti termini inducano nei materiali dei cambiamenti è arcinoto. Per SteelBetter i trattamenti sono pane quotidiano ed è proprio l’esperienza a suggerirmi quello che sto per scrivere. Bisogna avere le idee chiare sul materiale di partenza, nel tuo caso acciaio, e sulle caratteristiche che conviene spingere data la destinazione del pezzo. Se l’obiettivo è aumentare nell’acciaio cinque caratteristiche come:

• durezza superficiale e resistenza all’usura;
• stabilità al rinvenimento e quindi durezza a caldo;
• resistenza alla fatica e agli intagli;
• resistenza alla corrosione;
• stabilità dimensionale

la miglior risposta è la nitrurazione. Qui voglio dimostrartelo, ma sappi che, a quanto pare, se ne erano accorti già in epoca medievale. Come lo sappiamo? Risulta che a quei tempi un “antenato” del trattamento venisse eseguito mediante una tempra a cui si faceva seguire un bagno in urina di cavallo, liquido organico in cui l’ammoniaca decisamente abbonda.

Secondo: la nitrurazione ha cinque fasi

Venendo ad oggi, la nitrurazione (UNI 5478) è un trattamento di indurimento superficiale condotto a temperature relativamente contenute (480 °C -5 70 °C) in condizioni adatte a consentire una diffusione di azoto nella superficie del particolare.

Come decidere se fa al caso tuo? Proviamo a gettare uno sguardo al complesso del trattamento, ‘schematizzato’ in cinque fasi fondamentali:

1. PRIMA FASE
   I pezzi vengono posti in un forno a vuoto (pressione 0,15-1,5 kPa) nel quale viene mantenuta una differenza di potenziale di circa 300 V e quindi una scarica elettrica luminescente stabile tra le pareti del forno (anodo) e i pezzi da trattare (catodo).
2. SECONDA FASE
   Nel forno viene poi fatta affluire una miscela di gas (azoto e idrogeno, oppure ammoniaca e idrocarburi), nella quale l’azoto molecolare si dissocia in azoto atomico ionizzato sotto l’azione della scarica elettrica;
3. TERZA FASE
   Gli ioni di azoto (che sono ioni positivi) verranno così proiettati contro le superfici (che sono negative) dei pezzi, colpendole come in un vero e proprio “bombardamento”.
4. QUARTA FASE

Durante il bombardamento subìto dalle pareti, per impatto sulla superficie dei pezzi, una parte dell’energia cinetica assunta dagli ioni si trasforma in calore causando un innalzamento della temperatura superficiale dell’ordine di 350-550 °C sui pezzi, mentre le parti interne restano fredde.

5. QUINTA FASE
   Gli ioni di azoto atomico penetrano in profondità negli strati superficiali (0,1-0,2 mm) e reagiscono con gli elementi metallici di lega formando nitruri. Sono proprio questi a rimanere inglobati nella struttura superficiale, determinandone l’indurimento.

 

Precisamente, qual è il ruolo dell’azoto nella nitrurazione?

A livello chimico, non è possibile utilizzare l’azoto molecolare, eccessivamente ingombrante, per cui si ricava l’azoto atomico dalla dissociazione termica dell’ammoniaca o dalla diffusione da bagni di sale.

L’azoto atomico introdotto sulla superficie del pezzo meccanico, viene assorbito dal metallo e va a formare nitruri (Fe4N), molto duri. Questi distorcono il reticolo cristallino, dando vita al meccanismo di rafforzamento “di Orowan”, modello che spiega l’indurimento e il comportamento deformativo di un metallo sottoposto a diversi tipi di deformazioni.

Per procedere nella deformazione di un materiale cristallino sono richieste sollecitazioni sempre crescenti, riscontrando un innalzamento del limite elastico del materiale. Migrando, le dislocazioni incontrano grani di precipitato (e anche giunti di grano, altre dislocazioni, ecc…). Per superare gli ostacoli, le dislocazioni tendono ad addensarsi (o “impilarsi”) e a passare tra i grani formando una sorta di anello intorno ai grani di dimensioni maggiori, senza emergere alla superficie del solido.

Anche per sollecitazioni elevate, dunque, il comportamento del materiale sotto sforzo rimane di tipo elastico. Il meccanismo permette alla deformazione di proseguire il suo moto nel materiale, lasciando attorno ai grani degli anelli di dislocazione che rinforzano il materiale, aumentando la sua resistenza ad una susseguente deformazione e quindi migliorando la sua resistenza alla deformazione.

Nella nitrurazione, un occhio anche alle variabili!

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. In altre parole, bisogna tenere conto del fatto che il processo può essere influenzato da molteplici variabili:

• Grado di dissociazione: è il rapporto tra ammoniaca dissociata e ammoniaca aggiunta. 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. Al contrario, le temperature più elevate aumentano la velocità di diffusione e riducono la durezza superficiale.
• 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 capaci di garantire ottimali caratteristiche meccaniche a cuore, compatibilmente con la temperatura da raggiungere in nitrurazione, in modo che ci sia per lo strato duro un supporto adeguato.

 

E infine, per la nitrurazione cinque ottime ragioni!

Per quali ragioni preferire un trattamento che ha lo scopo di indurire la superficie di un acciaio? Posso discuterne con te a lungo e verificando insieme le informazioni che hai letto finora. Sono a tua completa disposizione, senza alcun impegno, per mostrarti come affidarti a SteelBetter per contare su competenza ed esecuzione del trattamento sotto attento controllo. Ma se mi hai seguito fin qui, oltre a ringraziarti, voglio aggiungere cinque motivi davvero validi per raccomandarti la nitrurazione:

1. Dopo la nitrurazione, gli strati superficiali mostrano una durezza superiore a quella ottenibile con la carbocementazione, resistente all’usura abrasiva e adesiva, alla fatica e alla corrosione.
2. I pezzi si deformano pochissimo, e questo fa della nitrurazione il trattamento ideale per ingranaggi, stampi, calibri, riscontri,
3. È possibile completare la lavorazione di un pezzo prima della nitrurazione (ramando le parti che eventualmente non debbono venire indurite superficialmente), senza la necessità di ricorrere ad ulteriori lavorazioni.
4. Per effettuare la nitrurazione è sufficiente una bassa temperatura di esercizio.
5. Non è necessaria tempra per conferire durezza. Le durezze ottenute rimangono invariate se sottoposte a riscaldi fino a 500 °C. La nitrurazione, inoltre, mantiene stabile la composizione molecolare impedendo che il metallo trattato perda la sua tenacità per effetto della temperatura, evitando così rischi di rotture.

Hai bisogno di maggiori informazioni o desideri trattamenti termici seri e ben eseguiti? Contattaci! Siamo sempre a tua disposizione.