nitrurazione ionica

GRUPPO T.T.N. S.P.A.NITRURAZIONI CEMENTAZIONI BONIFICHE- RICOTTURE - TEMPRA SOTTOVUOTO - SALE - INDUZIONE stabilimenti: Nerviano (MI) tel.0331.463711 Vittuone (MI) tel.02.9025191 Nervesa della Battaglia (Treviso) tel.0422.722097REPARTO DI NITRURAZIONE IONICA tel.0331.463721 fax 0331.584049

1.-I PERCHE DELLA NITRURAZIONE IONICA.I settori a cui si rivolge la nitrurazione, nitrocarburazione o ossidazione ionica sono quelli percui necessario ottenere dei particolari con superficie indurita per i primi 0.05 fino a 1 mmsenza dover sacrificare la tenacit dello strato o rischiare fenomeni di scagliatura, frattura ,criccatura, rottura degli spigoli ecc.

acciaio Profondit mm Temperatura C dinitrurazione ionica

Tempo (ore) dimantenimento

Durezza HV

ST52 C40 0.1-0.8 mm 480-500 10-100 550-600GHISE (GS400) 0.05 0.4 mm 550 10-60 550-60034CrAlNi741CrAlMo7

0.1-0.8 mm 450-490 30-150 1000-1100

38NCD4 39NCD3 0.1-0.8 mm 480-500 40-100 600-65034NiCrMo8 0.1-0.8 mm 450-480 70 650-70018NCD5 0.1-0.8 mm 550 20 500-550Tab. 1 : sommario dei principali acciai da bonifica e caratteristiche di processo ionico.

Riportiamo di seguito in Fig.1 le curve di indurimento comparative ottenute con nitrurazioneionica e gassosa su acciaio 34CrNiMo8 comunemente impiegati. Le curve si riferiscono acicli ad elevata profondit per applicazioni ove i carichi specifici o quelli medi di tipoHertziano sono importanti. In ogni caso la durezze di punta ottenute con nitrurazione ionica sempre maggiore di quella relativa al ciclogassoso.

Fig. 1:Confronto fra nitrurazione Gassosa e Ionica per varie profondit su acciaio 34NiCrMo8

200

300

400

500

600

700

800

0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1Profondit mm

Dure

zza

Hv0.

3

10h gas

30h gas

30h gas+Nipre

72h gas.

72h+Nitrocarburazione

72h+Nipre

Ionica 70 ore

La ragione del leggero ma costante e generalizzato per tutti gli acciai aumento di durezzasuperficiale nel processo ionico dovuta allenergia che il plasma stesso imprime comecampo elettrico alle particelle ionizzate di azoto ed idrogeno. Queste, quando impattano sulla

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T.T.N. S.P.A. REPARTO DI NITRURZIONE NITROCARBURAZIONI ED OSSIDAZIONI IONICHE


superficie dellacciaio, trasformano parte dellenergia in calore e riscaldo; parte vieneimpiegata per diffondere maggiormente allinterno della superficie determinando anche unasorta di incrudimento superficiale.2.1 Morfologia dello strato indurito:Per il fatto di riuscire a controllare la percentuale di azoto nella miscela in modoaccuratissimo, si pu regolare fino al decimo di litro, possiamo affrontare la nitrurazione suqualsiasi tipo di acciaio compresi per esempio i Duplex, gli indurenti per precipitazione, gliacciai rapidi che sono per antonomasia sensibilissimi all infragilimento da diffusione di azoto.Per questi materiali si effettuano permanenze in forno a temperature elevate per ottenere unminimo di spessore (>0.05 mm) ed al contempo si centellina la presenza di azoto nella miscelafino a 0.5 % su idrogeno.Questa maneggevolezza della composizione della miscela permette inoltre di nitrurare stampiper termoplastico, per deformazione a freddo, attrezzature rettificate e lappate a quote finite etolleranze zero senza rischi di distacchi a placche in esercizio dello strato nitrurato o dideformazioni ed ingrossamenti al di sopra del limite accettabile. Inoltre la rugosit superficialeviene alterate in modo molto contenuto ed sufficiente passare un panno con pasta diamantataper ottenere la superficie a specchio.

Fig.2.:Confronto su materiale 34CrAlNi7 tra particolare nitrurato ionico e particolare trattatocon nitrurazione gassosa a parit di profondit. La differenza della morfologia della zonaindurita notevole e permette di trarre immediatamente considerazioni circa la fragilit e latenuta allo spallamento reciproche.

2.2. Nitrurazione ionica su Inox Hardinox: come preservare linossidabilit.

Sullo acciaio inox si esegue in modo pressoch esclusivo il processo ionico ogni qualvolta sivoglia ottenere dei pezzi che debbano resistere oltre che alla corrosione, ragione per cui siimpiegano questi acciai, anche allusura , al grippaggio e allabrasione. Infatti il processo inplasma grazia alla presenza di idrogeno attivo riduce completamente lossido di cromopresente in superficie permettendo immediatamente la diffusione dellazoto allinterno dellamatrice ed il suo legame con il cromo al fine di formare nitruri di cromo,Cr2N, estremamenteduri e funzionali contro usura abrasiva . Qui di seguito ricapitoliamo le principali caratteristiche ottenute su acciai inox dopotrattamento di nitrurazione ionica:



acciaio Profondit mm Temperatura C dinitrurazione ionica

Tempo (ore) dimantenimento

Durezza

AISI 410 430 420 0.05-0.3 550 20-50 900-1200AISI 304 316 - 0.05-0.25 550 20-50 900-1200DUPLEX 0.05-0.1 550 30 900-1200X22CrMoV 12 1 0.05-0.4 530-550 20 h (0.1 mm)

50 h (0.25-0.3 mm)900-1200

X8CrNiMoVNb113 0.1-0.15 mm 580 5-6 ore 900-1200Tab. 2 : sommario dei principali acciai inossidabili e caratteristiche di processo ionico.

I settori di impiego vanno dallalimentare , al farmaceutico , a quello delle pompe perbevande, macchine per stampaggio termoplastico, delle valvole nel campo petrolifero edellenergia ecc. La caratteristica di tutti gli acciai in Tab. 2 lelevata durezza che vieneconferita grazie anche alla disponibilit di grandi quantit di cromo nellacciaio, bisognaquindi fare molta attenzione nellimpiegare miscele a ridotto potere nitrurante per evitarecriccature e spaccature dello strato duro come evidenziato dalle foto sotto riportate:

Fig. 3.: Micrografie di strutture su acciai nitrurati con processo ionico dove si vede lo spessoredello strato e la sua reazione con il reagente chimico che evidenzia la diversa resistenza allacorrosione dello strato indurito (sopra) rispetto a quello non trattato (sotto).

Fig. 4a 4b: 4a: Applicazione di Hadinox su AISI 304 per settore alimentare, cilindri dimacchine per gelati dove allinterno passa il prodotto che viene poi raschiato da lame inAISI410 ad induzione 51 HRC. E richiesta la nitrurazione ionica in sostituzione dellacromatura per ragioni di distacco della stessa incompatibile con prodotti quali tutto

4b



lalimentare , in quanto la Food&Drug Administration americana ha imposto leliminazionetotale di riporti in cromo da ogni componenee di macchine alimentari.In Fig.4b si vede una applicazione settore energetico in AISI 316 parti per contenimentogiranti di turbina idroelettrica in Valtellina, in opera vi del terriccio miscelato con acqua cheincide il pezzo quindi richiesta la nitrurazione ionica per indurire i primi decimi di mm e postossidazione di Magnetite per ripristinare al pieno la resistenza a corrosione.

Fig.5: Nitrurazione ionica su girante in AISI 316 diametro 1500 mm settore energetico perottenimento alta profondit 0.4 mm atta a resistere allabrasione del terriccio presente nelfluido propulsore della girante - turbina stessa.

Fig.6: Particolari rotori e statori in AISI 304 destinati al settore delle pompe nitrurati conprocesso ionico per profondit di 0.15-0.2 mm e durezze di 1050 HV + post rivestimento alnitruro di titanio.



Fig.7.: cilindri in AISI 420 per lindustria alimentare delle sfoglie di farinacei, i cilindri sonostati sottoposti ad Hardinox per una durezza superficiale di 1050-1150 HV e profondit di0.1 mm. Le numerose viti proteggono altrettanti filetti.

3.- Nitrurazione ionica su stampi per plastica pressofusione - deformazionea freddo.Nel settore dei costruttori od utilizzatori di stampi per le varie applicazioni che vanno dalfreddo alla plastica passando per la pressofusione gli acciai pi comunemente impiegati sonoriportati in Tab.3 con le profondit consigliate di nitrurazione ionica che viene impiegata o dasola oppure in funzione di un rivestimento P.V.D. successivo al titanio, al cromo odi altrogenere che ne riduce ulteriormente lattrito.

acciaio Prof. mm TemperaturaCnitrurazione ionica

Tempo dimantenimento H

Durezza HV

2343-2344 0.1-0.15 520C 30 1050-1100X155CrMoV5.1 0.05-0.1 480C 28-30 1000-10502311-2312-prebonif. 0.2 450-480C 35-40 700-750TAB.3: sommario dei principali acciai per costruzione stampi a caldo - freddo e plasticaIl vantaggio principale ai fini dello stampo nel processo ionico stato gi detto consiste nellaestrema delicatezza del processo che permette di non intaccare la superficie con indurimentitroppo aggressivi o fragili.

Fig.8: Schermo del sistema computerizzato di gestionedellimpianto ionico, sulla destra sono visibili gli ingressi dei vari gasche vengono controllati in quantit fino al decimo di litro. Cipermette la regolazione la pi fine e delicata del processo. Sivedono inoltre i valori di temperatura delle pareti che scaldanovia convettiva la carica fino a una temperatura poco inferiore aquella di lavoro cos da diminuire al minimo la fragilit delle punte ospigoli.



Un ulteriore accorgimento di fondamentale importanza nel trattamento ionico degli stampi limpiego di forni con la parete scaldante, ci significa che a differenza di impianti di 1generazione, dove il plasma forniva lenergia sia per il processo che per il riscaldo, negliimpianti a parete calda il riscaldo avviene convettivamente cosicch il plasma si impiega soloper la nitrurazione con potenze di 10 15 volte inferiori a quelle usate originariamente. Ci sitraduce in una ottima omogeneit di temperatura e di processo, in una fortissima riduzionedelleffetto spigolo o punta che si ha normalmente in un campo elettrico che significainfragilimento e sovra temperatura degli stessi.

Fig. 9: 9a: stampi in pre bonificato con cicli da 0.15 0.2 mm e durezze di 650 HV durante lafase di nitrurazione, si vedono le termocoppie direttamente posizionate allinterno di cavit delpezzo, i bulloni a protezione dei filetti e luniformit del plasma in impianti a parete calda. 9b:stampo 1 Tonnellata a doppia impronta in AISI 2343 lucidato a specchio prima del processoionico. Limportanza del mantenimento della finitura superficiale (Fig. 6b) legata allapurezza del materiale, in termini di inclusioni e di omogeneit e morfologia dei carburiprimari, inoltre per anche funzione del processo ionico che non determina unaprecipitazione dei carburi secondari prodottisi in rinvenimento grazie alla ridotta % di azotodiffuso che trova spazio nella matrice, non superandone il limite di miscibilit,secondariamente la nitrurazione ionica non provoca la coalescenza ( ingrossamento) deglistessi carburi poich il processo avviene a temperature di 100-150C inferiori a quelli classici.

9a 9b

Fig.10: Settori per realizzazione tubi passo pellegrino inAISI 2344 temprati a durezza di 46 HRC, lavoratimeccanicamente e successivamente sottoposti anitrurazione ionica in impianto con riscaldo convettivoper 0.25 mm e durezza superficiale di 1050 HV.



Fig. 12: Grosso stampo (diagonale 850 mm peso 1000 Kg) di pressofusione alluminio in 2343temprato sottovuoto a 44 HRC e nitrurato in plasma per max. 0.05 mm anche sulla parte figura infunzione antiusura abrasiva e supporto al rivestimento eseguito nei ns. impianti P.V.D. in T-Layer

4.- Nitrurazione ionica su pezzi di grosse dimensioni per industria meccanicapesante

Anche per la nitrurazione ionica T.T.N.S.p.A. ha voluto mantenere la stessa logica di offertaimpiegata e vigente su trattamenti complementari o alternativi quali nitrurazione gassosa,cementazione, bonifiche in vuoto o atmosfere, tempre ad induzione e cio le dimensioni deinostri impianti comprendono taglie grosse. Possiamo infatti nitrurare in plasma pezzi fino a100 quintali di peso (foto in copertina), fino a 9 metri in verticale e fino a 2.8 metri didiametro. I benefici che se ne traggono sono fortemente correlati alle deformazioni chevengono implicate di concerto con la geometria e le dimensioni del pezzo: maggiore la lorocomplicazione minore deve essere la temperatura di nitrurazione. Inoltre le durezze dibonifica per tali pezzi su cicli molto lunghi, quali quelli a cui quasi sempre questi particolarisono sottoposti (prof.0.6-1 mm), possono cadere dopo una nitrurazione classica che prevede

Fig.11: Carica di stampi in pre bonificato conprotezione parte chiusura a mezzo vernice baserame per evitare ogni tipo di rischio sullescheggiature di spigoli. La carica viene riscaldataconvettivamente a 450C ed il plasma apporta sololenergia di differenza flusso laminare di gas alto-basso 4 termocoppie esterno interno, alto-basso uniformit +/- 5C. Diametro del forno 1200mm



temperature dellordine dei 520-550C. Se poi vi sono considerazioni anche di caratterefunzionale e cio di fragilit della superficie nitrurata dopo rettifica allora i benefici esposti inmerito a parti finite stampanti si applicano di pari anche a pezzi per industria meccanicapesante.

Fig.13: T.T.N. S.p.A.: nitrurazione ionica su cilindri fino a 6 metri in verticale con fori dadiam. 50 a 300 mm, materiale da nitrurazione 1100 HV prof. 0.6 mm. Dalla foto si vede comesi inseriscano dei provini sopra il pezzo in modo da poter certificare completamente ildiagramma durezza profondit a fine trattamento. T.T.N. S.p.A. impiega poi una tecnologiadi trattamento che permette alla nitrurazione di essere effettuata anche allinterno di fori senzaproblemi relativi a rapporti diametro lunghezza. Questo ci permette di indurire cilindri,camere , tubi a cannone e qualsiasi geometria con cavit particolarmente profonde dove sidesidera che vi sia una maggior durezza e resistenza ad usura.

Molti casi di grossi pezzi in ghisa sferoidale possono essere trattati con nitrocarburazioneionica, processo che conferisce unelevatissima propriet antifrizione alle superfici in ghisacon durezze nellordine dei 580-600 HV e profondit fino a 0.6 mm.La nitrocarburazione un processo che diffonde oltre ad azoto , come in nitrurazione, anchecarbonio al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni allo strisciamento di particolari conelevato tenore di carbonio iniziale quali le ghise appunto.

provini

Fig.14: grossi lardoni a dimensioni FINITEper conferire resistenza a scorrimento,realizzati in ghisa GS400 caricati perprocesso di nitrocarburazione ionica. Pesocomplessivo 2000 Kg. sostituita l atempraad induzione



La nitrurazione ionica su tutti i particolari di elevate dimensioni la miglior alternativa aprocessi quali la tempra ad induzione o la cementazione. Questo perch la ionica: si eseguesu pezzi finiti, non ha problemi dimensionali, garantisce la massima ripetibilit, grazie aisistemi di controllo computerizzati ed il controllo con termocoppie direttamente sui pezzi, nonrichiede quindi alcuna lavorazione meccanica n di rettifica n di lucidatura successiva, non harischi di cricche di tempra, perfettamente omogenea su tutta la superficie senza rischi divariazioni di profilo indurito, in una parola integrata al processo di fabbricazione comeultimo anello e definitivo da eseguirsi al termine, perfettamente certificabile con micrografiesu provini trattati insieme ai pezzi (vedi Fig.13).



T.T.N. S.p.A.GRUPPO

LA NITRURAZIONE IONICA DI ALTA QUALITA ALLA MASSIMA POTENZA

nitrurazione ionica

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