Nitrurazione di acciai inossidabili: processo combinato ionico-gassoso

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Lelia Murgia
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1 37 CONVEGNO NAZIONALE AIM Nitrurazione di acciai inossidabili: processo combinato ionico-gassoso R. Giovanardi 1, P. Veronesi 1, R. Sola 1, L. Borg 1, G. Parigi 2 1 Università di Modena e Reggio E., Dip. di Ing. Enzo Ferrari 2 STAV s.p.a.

2 INTRODUZIONE Nitrurazione di acciai inossidabili VANTAGGI PROBLEMI Durezza sup. Resistenza a usura Res. Corrosione (carburi e nitruri di Cr) Scarsa efficacia (diffusione) per passivazione

3 INTRODUZIONE: effetto nitrurazione Come incrementare l efficacia della nitrurazione SENZA applicare T elevate che promuovono formazione di carburi e nitruri? Strategia 1 Nitrurazione al plasma (ionica): fase di sputtering iniziale in grado di asportare lo strato di ossido presente e permettere la diffusione dell azoto atomico. Inoltre, questo tipo di trattamento può operare a temperature più basse, in quanto l energia necessaria per la scissione della molecola viene fornita dagli elettroni opportunamente accelerati. Strategia 2 Nitrurazione al plasma (ionica) seguita da nitrurazione gassosa: un primo trattamento di nitrurazione al plasma, che funziona da attivatore della superficie, è seguito da una nitrurazione gassosa (ZeroFlow ), per aumentare la diffusione dell azoto e quindi la penetrazione del trattamento Salvaguardata resistenza a corrosione, ma profondità? Incremento profondità, ma resistenza a corrosione?

4 Sigla TT NP NPNZ Piano Sperimentale: acciai e TT Tipo di trattamento (eseguiti da STAV s.p.a.) nitrurazione ionica alla temperatura di 430 C per una durata complessiva di 21 ore attivazione con nitrurazione ionica a 430 C per 21 ore seguita da nitrurazione gassosa in impianto ZeroFlow alla temperatura di 520 C per 15 ore Acciaio C Mn Si Cr Ni Mo V W AISI AISI

5 CORROSIONE Piano Sperimentale: caratterizzazione Micrografie in sezione (ottico e ESEM) Profili di microdurezza in sezione HV 0.1 Prova di usura (pin-on-disk, pin in allumina Ø6mm, carico 10 N, velocità strisciamento di 0.2 mm/s, 1000m, no lubrif.) Prove di polarizzazione in NaCl 3.5% Ambiente clorurato Prove di polarizzazione in H 2 SO 4 1N Ambiente acido (ASTM G5-94 R99) FLAT CELL 1. Cella elettrolitica 2. Cavità per elettrodo di riferimento 3. Piastre di chiusura della cella 4. Viti di fissaggio 5. Soluzione elettrolitica 6. Elettrodo di lavoro campioni 7. Contro-elettrodo (platino) 8. Elettrodo di riferimento (Ag/AgCl/KClsat) di

Bologna 12-14 settembre 2018 37 CONVEGNO NAZIONALE AIM Risultati e

6 Bologna settembre CONVEGNO NAZIONALE AIM Risultati e Discussione: micrografie sezione 10 µm 60 µm austenite 15 µm 100 µm martensite

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7 Risultati e Discussione: profili di microdurezza ~ 40 µm profondità di nitrurazione efficace calcolata come distanza tra la superficie esterna dello strato indurito ed il punto in cui la durezza di questo assume il valore convenzionale di 100 HV superiore alla durezza a cuore del materiale 75 µm 115 µm

8 Risultati e Discussione: tasso di usura annullata la differenza iniziale fra i due acciai 1 x 10-6 mm 3 /Nm 1 ODG

9 Risultati: prove di Corrosione AISI304 - NaCl La nitrurazione NPNZ garantisce un maggior ingresso di N in slz solida, migliorando la resistenza a pitting rispetto a NP La presenza di N in slz solida bilancia la perdita di Cr per formare carburi e nitruri, mantenendo pressoché inalterata la resistenza a pitting rispetto al non trattato.

10 Risultati: prove di Corrosione AISI422 - NaCl La nitrurazione incrementa leggermente la resistenza a pitting (N interstiziale) Effetti meno bilanciati fra presenza di N in slz solida e perdita di Cr per formare carburi e nitruri: peggioramento della resistenza a pitting rispetto al non trattato.

11 Risultati: prove di Corrosione AISI304 - H 2 SO 4 Non risentendo dell effetto benefico di N interstiziale, la resistenza a corrosione peggiora all aumentare dei tempi di trattamenti (perdita di cromo in soluzione solida)

12 Risultati: prove di Corrosione AISI422 H 2 SO 4 Non risentendo dell effetto benefico di N interstiziale, la resistenza a corrosione peggiora all aumentare dei tempi di trattamenti (perdita di cromo in soluzione solida)

13 Risultati: effetto N interstiziale L azoto presente in soluzione solida nell acciaio e liberato durante il processo di corrosione è in grado infatti di reagire con gli ioni H + e di abbattere l acidità all interno dei pit che si stanno formando: [N] + 4H + + 3e - NH 4+ [1-3] [1] C.X. Li, T. Bell, Corrosion Science 46 (2004) [2] S.D. Chyou, H.C. Shih, Corrosion 47 (1991) 31. [3] H.J. Grabke, The role of nitrogen in the corrosion of iron and steels, ISIJ International 36 (1996) 777.

14 CONCLUSIONI I risultati ottenuti permettono di affermare che l innovativo trattamento combinato di nitrurazione ionica-gassosa (siglato NPNZ) applicato ad acciai inossidabili sia a matrice austenitica (AISI304) che matensitica (AISI422) porta a: 1. un notevole incremento della profondità di nitrurazione efficace, con conseguente netto miglioramento delle proprietà tribologiche (tasso di usura) dei materiali, soprattutto per quanto riguarda l AISI304; 2. una resistenza a corrosione in ambiente salino (NaCl 3.5%) pressoché invariata rispetto ai materiali non trattati, soprattutto per AISI304, grazie alla presenza di azoto in soluzione solida in grado di ostacolare il meccanismo di corrosione di tipo pitting; 3. un netto peggioramento, atteso, della resistenza a corrosione in ambiente acido (H 2 SO 4 0.5M), in quanto in tale ambiente il meccanismo di corrosione (generalizzata) non trova beneficio nella presenza di azoto in soluzione solida, ma è legato soprattutto alla quantità di cromo disponibile in matrice per la passivazione superficiale, quantità sicuramente ridotta a causa della formazione di carburi e nitruri di cromo in fase di nitrurazione.

15 37 CONVEGNO NAZIONALE AIM Grazie per l attenzione

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