IMPIEGO DI PROTOSSIDO D AZOTO NEL TRATTAMENTO TERMOCHIMICO DI NITRURAZIONE GASSOSA: STUDIO DEI PROCESSI PRODUTTIVI E CARATTERIZZAZIONE METALLURGICA

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1 Trttmenti termici IMPIEG DI PRTSSID D AZT NEL TRATTAMENT TERMCHIMIC DI NITRURAZINE GASSSA: STUDI DEI PRCESSI PRDUTTIVI E CARATTERIZZAZINE METALLURGICA M. Merlin, P. Cmnzi, G. L. Grgnni In queto lvoro ono preentti i riultti di uno tudio effettuto ul trttmento termochimico di nitrurzione go, in prticolre ull poiilità di ottenere un umento dell velocità di proceo livello indutrile. È tto tetto l effetto dovuto ll introduzione, inieme ll mmonic nidr (NH 3 ), di protoido di zoto (N ) nell tmofer di proceo. Inizilmente ono tti crtterizzti i normli cicli produttivi di nitrurzione go in tmofer di mmonic nidr, inerendo cmpioni identici di cciio di tipo 4CrMo4 ll interno delle criche di mterile d nitrurre nei forni pozzo. I cicli produttivi di interee ono tti quelli venti come oiettivo finle l ottenimento di uno trto di indurimento uperficile di 3 e 4 decimi di millimetro. Al termine dell perimentzione i è conttto che l utilizzo dell N comport un incremento dell cinetic di proceo, con un coneguente riduzione del 0 30% dei tempi di proceo ripetto l ciclo produttivo tndrd. Nonotnte l riduzione dei tempi di proceo, le crtteritiche meccnicomicrotrutturli dei cmpioni trttti ono riultte confrontili con il proceo trdizionle, propettndo l idoneità ll ppliczione indutrile dell nitrurzione go con impiego di protoido d zoto. All perimentzione e rccolt dei dti ottenuti egue un vlutzione economic e di fttiilità per i cicli produttivi tetti, ull e di un confronto qulittivo con i procei già pplicti indutrilmente. PARLE CHIAVE: protoido d zoto, indurimento uperficile, metllogrfi, nitrurzione go INTRDUZINE Le odierne eigenze produttive nel cmpo dell meccnic portno richiete empre mggiori di elevte crtteritiche tecniche degli orgni meccnici progettti. L oiettivo inftti è quello di conentire tli prticolri un impiego in condizioni di eercizio prticolrmente oneroe in termini di tenioni meccniche, di uur o di corroione. Speo l tecnologi produttiv che port ll ottenimento dei prticolri meccnici non conente di lvorre gevolmente metlli con determinte crtteritiche; ti penre, d eempio, lle lvorzioni per portzione di truciolo eeguite u mterili d elevt durezz. Inoltre, ono frequenti i ci in cui le crtteritiche richiete per l utilizzo non ono nemmeno ricontrili nei mteri- Mtti Merlin, Gin Luc Grgnni Diprtimento di Ingegneri, Univerità degli Studi di Ferrr Polo Cmnzi Siderit.r.l., Zol Predo (Bologn) li di mggiore utilizzo, lle condizioni di normle fornitur. Pertnto i rende peo neceri l eecuzione di trttmenti termici e termochimici per conferire l componente le dovute proprietà meccniche. In prticolre, i trttmenti termochimici prevedono l pporto di uno o più elementi chimici dll eterno, in modo tle d lterre uperficilmente l compoizione chimic, oltre che quell trutturle, del mterile inizile. L nitrurzione go è un trttmento termochimico di indurimento uperficile che viene condotto temperture compree tr i 480 C e i 570 C per un periodo di tempo vriile d qulche or precchie decine di ore, in condizioni tli d conentire un diffuione di zoto nell uperficie del prticolre d trttre. Al termine del trttmento il pezzo viene rffreddto tempertur miente medinte un tmofer go di tipo inerte. Gli trti uperficili coì generti ono crtterizzti d un ottim reitenz ll uur deiv, l grippggio e ll rione meccnic. L nitrurzione può eere eeguit u numeroi tipi di cciio, nche e le crtteritiche di durezz uperficile ono mime per gli ccii legti contenenti lluminio, cromo e vndio. I più diffui ccii l metllurgi itlin >> prile 009

2 Trttmenti termici << Memorie 4 CrMo4 C Si mx 0.4 Mn P mx 0.05 S mx Al - Cr Mo Ni 0.30 V - L celt del mterile d utilizzre nell indgine perimentle è tt effettut eguito di un ttent nlii dei mterili più frequentemente trttti preo Siderit.r.l.. È tto celto l cciio 4CrMo4, l cui compoizione nominle è riportt in T.. Tle cciio, pur non eendo un tipico cciio d nitrurzione, è comunque in grdo di diffondere zoto fino peori efficci elevti ed è mpimente utilizzto per l cotruzione di prticolri meccnici oggetti ollecitzioni cicliche e fregmenti (mozzi, perni, leri, cmme, ecc). Sono tti prei in coniderzione due cicli produttivi tndrd, nominti ed, reltivi l trttmento di nitrurzione go che conente di ottenere uno peore efficce ripettivmente di 0.3 mm e 0.4 mm, con tollernz ±0. mm. L prim fe del lvoro h rigurdto l cmpiontur itemtic di tli cicli produttivi, l fine di ricvrne l efficienz e l ripetiilità nel tempo in termini di durezz conferit ll uperficie del pezzo, degutezz dei grdienti di durezz nel utrto mterile, quntità di coltre inc e qulità dell truttur metllogrfic che deve riultre eente d reticoli continui di nitruri nello trto di diffuione. I cicli reltivi i trttmenti ed ono tti oervti per due impinti produttivi, le cui crtteritiche principli ono riportte in T.. Per entrmi i forno pozzo ono tti ricvti i dti-ciclo di progrmmi memorizzti nei ripettivi controllori informtici che li geticono in mnier utomtic: temperture, tempi e portte dei g. Vrindo queti ultimi prmetri è tto poiile ottenere i due cicli produttivi ed, i cui digrmmi tempertur-tempo dottti nei due impinti ono riportti in Fig.. I cicli di nitrurzione go tndrd ono compoti d due fi: l prim, dett di rricchimento, i volge 500 C, mentre l econd, dett di diffuione, i volge 540 C. Nelle divere fi del trttmento ono tti controllti itemticmente i vlori del grdo di diocizione dell m T. Compoizione nominle (percentule in peo) dell cciio 4CrMo4. Chemicl compoition (rnge of wt%) of the 4CrMo4 teel. IMPIANT IMPIANT Tipo Forno pozzo Forno pozzo Dimetro [cm] 50 0 Altezz [cm] Potenz [kw] T. Impinti produttivi. Productive implnt. d nitrurzione in commercio ono, econdo l Norm UNI EN 0085, il 3CrMo e il 4CrAlMo7, cui i ggiungono nche il 3CrMoV9 e il 34CrAlMo5. Non empre durezze ecceivmente elevte ono deiderili per impieghi cotruttivi e pertnto il trttmento di nitrurzione go può eere eeguito nche u ccii più o legti [-9]. Un eempio tipico è cotituito dll cciio d onific o legto 4CrMo4, che viene normlmente utilizzto per l relizzzione di molti orgni meccnici in qunto preent uone proprietà di tencità e reitenz. Su tli componenti in 4CrMo4 peo viene richieto un trttmento uperficile di nitrurzione go, pur non eendo un cciio tipicmente d nitrurzione. I normli cicli di nitrurzione go per elevt profondità di indurimento comportno tempi di impegno impinto molto elevti. Pertnto, è tt vlutt l poiilità di incrementre l velocità di proceo trmite l impiego di uno pecifico g di proceo ddizionle: il protoido di zoto (N ). L effetto dto dl protoido d zoto i trduce in un mggiore cpcità nitrurnte dell tmofer e quindi in un mento dei tempi di proceo. I riultti perimentli di molteplici utori [0-4] mettono in evidenz queti effetti. In prticolre, d [7, 3-4] i può concludere che un ddizione di oigeno ll tmofer nitrurnte port d un zione enefic, pecilmente per ccii legti e contenenti cromo. Si è incomincito fruttre queti principi già dll metà degli nni ottnt per velocizzre i trttmenti di nitrurzione livello indutrile; l ocietà Air Liquide h viluppto e depoitto revetti per procei denominti ALNAT-N, ALNAT-N, i quli prevedono l impiego di protoido d zoto come g di proceo [5-]. Un impiego non controllto di protoido d zoto, pecilmente nell fe inizile del proceo di nitrurzione, può portre difetti ul mterile trttto; inftti, l umento delle crtteritiche meccniche conferito d queto trttmento può tlvolt ccompgnri d lcuni inconvenienti. Un iper-nitrurzione può generre un coltre inc di ecceivo peore, con coneguente frgilità dell te. Un ltro difetto rigurd l ecceiv precipitzione di nitruri entro lo trto di diffuione; è uon norm evitre l formzione di reticoli continui di nitruri ciculri. Molto importnte è nche l effetto pigolo, il qule i mnifet con un frgilità notevole dell zon dicente ll line di incontro tr due uperfici perpendicolri. L ttività di ricerc qui preentt è tt volt in collorzione con Siderit.r.l., che i è ripropot di ricercre oluzioni lterntive per l conduzione dei trttmenti di nitrurzione go, llo copo di diminuire i tempi ciclo. Dopo un nlii ccurt dei trdizionli procei produttivi, volt crtterizzre l loro efficci nel grntire l ripetiilità nel tempo delle proprietà conferite l mterile trttto, i è proceduto nello tudio dell rielorzione dei cicli di produzione l fine di renderli più veloci nell loro relizzzione. I riultti ottenuti con i cicli rielorti ono tti ccurtmente confrontti con i vecchi cicli produttivi per verificrne, in prticolre, l comprilità metllurgic. Scopo ultimo è il migliormento dell produttività, operndo con cicli ffidili più revi di quelli tndrd, con l poiilità di eeguire un mggior numero di trttmenti nel medeimo periodo di tempo. Inftti, ll perimentzione e rccolt dei dti ottenuti h ftto eguito nche un vlutzione di fttiilità e di riduzione dei tempi di proceo per i cicli produttivi tetti, ull e di un confronto qulittivo con i procei già pplicti indutrilmente. MATERIALI E METDI prile 009 << l metllurgi itlin

3 Trttmenti termici Fig. Digrmmi tempertur-tempo indictivi per i cicli tndrd ed. Temperture-time digrm for nd tndrd cycle. monic. I cicli tndrd ono tti modificti ed i cicli perimentli ono tti nominti ripettivmente -N ed - N per metter in evidenz l impiego del protoido d zoto. Le modifiche, ripetto i cicli tndrd, hnno previto un prericldmento del mterile 380 C per uniformre il più poiile l tempertur dei pezzi, uno tep di preoidzione del mterile, llo copo di ttivre l uperficie preventivmente ll rricchimento, e l inerimento del protoido d zoto nell ucceiv fe di rricchimento. Si è decio di mntenere un proporzione tr il protoido d zoto e l mmonic del -3%, lcindo inltert l tmofer nitrurnte nell fe di diffuione. L effetto dell preoidzione dell cciio in tmofere nitrurnti i eplic in un umento dell profondità di indurimento [4, ]. L cmpiontur di ogni ciclo termochimico è tt effettut inerendo provini cilindrici del mterile opr decritto ll interno delle criche di produzione. Le dimenioni dei provini ono di 0 mm di peore e dimetro di 35 mm, ricvti dl tglio di un rr cilindric dello teo dimetro trttt termicmente con proceo di onific. L durezz medi del mterile e è di HV. Prim di eeguire l nitrurzione, i pezzi ono tti ccurtmente puliti per eliminre oidi ed eventuli lurificnti che poono lterre le condizioni di orimento di zoto ull uperficie; inoltre, ulle fcce d nitrurre ogni cmpione è tto preventivmente trttto con operzioni di grotur e ucceivmente finite con lpidelltur ccurt. Tutti i cmpioni, trttti econdo i cicli tndrd e perimentli con protoido d zoto, ono tti ucceivmente ottopoti crtterizzzione metllogrfic e miure di durezz uperficile, di grdiente di durezz e di peore dell coltre inc. Il prmetro di confronto più importnte che è tto preo in coniderzione è lo peore efficce, definito dll Norm UNI CARATTERIZZAZINE MECCANICA E MICRSTRUTTURALE I cmpioni, dopo eere tti etrtti di forni di trttmento, ono tti ccurtmente ezionti econdo le ezioni longitudinli e trverli, e preprti per le indgini di lortorio. Tutte le ucceive nlii microtrutturli e meccniche ono Fig. Rppreentzione grfic del grdiente di durezz HV. Digrm of HV hrdne grdient. tte eeguite con trumentzioni dedicte e eguendo i principli riferimenti normtivi [7-8]. Prove di microdurezz Un ccurt indgine clerometric è tt eeguit ui cmpioni in modo d ricvre i dti utili ll crtterizzzione del trttmento termochimico. Sulle ezioni trverli ono tte effettute numeroe prove di durezz per definirne il grdiente. I riultti ottenuti ono tti rccolti in fogli di clcolo ed eprei grficmente (Fig. ). Tenendo in coniderzione il vlore medio dell durezz nucleo, è poiile individure l profondità efficce ottenut, definit dll norme UNI 5478, come quel vlore di durezz uperiore di 00 unità HV ripetto ll durezz nucleo. L indgine clerometric è tt ete nche ll uperficie etern direttmene nitrurt, con l nlii dell durezz uperficile. Per ogni cmpione ono tte eeguite le prove di durezz uperficile HV03, HV05, HV, HV5, HV0, HV30. L eecuzione di prove di durezz uperficile con crico di prov empre mggiore è utilizzt per verificre qule di Fig. 3 Miur dello peore medio dell coltre inc; ttcco Nitl (500X). Meure of the verge white lyer thickne; Nitl etching (500X). l metllurgi itlin >> prile 009 3

4 Trttmenti termici << Memorie Proceo Progrmm Criche oervte Prmetri trttmento Arricchimento (h) Diffuione (h) Totle (h) Durezz uperficile HV Profondità efficce [mm] Coltre inc [μm] Durezz nucleo HV Impinto Impinto Impinto Impinto 4 Vlori medi N 9 8 -N -N 9 4 -N 5 Vlori medi Vlori medi Vlori medi Vlori medi Vlori medi Vlori medi Vlori medi T. 3 Dti reltivi l cmpionmento dei cicli tndrd e perimentli. Stndrd nd innovtive tet dt. queti crichi, e quindi indirettmente qule preione pecific, i i un cedimento per frgilità dell coltre inc, e quindi un poiile cheggitur. È tto ricontrto che l influenz dell coltre inc ull durezz riult evidente per crichi fino l kg. Anlii metllogrfic ltre lle prove clerometriche è tt effettut un indgine metllogrfic per vlutre lo peore dell coltre inc e l microtruttur; i è gito eeguendo un ttcco chimico ull uperficie ccurtmente lucidt dei provini ingloti con un oluzione di lcool puro e cido nitrico l % (NITAL ). Dll Fig. 3 i not l preenz di nitruri di form lmellre, l cui quntità è mggiore vicino l ordo eterno e diminuice vero l zon intern. Non ono tte rilevte trutture reticolo, prticolrmente dnnoe per l reitenz meccnic del pezzo nitrurto. ANALISI DEI RISULTATI E DISCUSSINE I riultti di interee, ccurtmente elorti e dicui, rigurdno i vlori di durezz uperficile, il vlore dell profondità efficce e l quntità di coltre inc conferit dl trttmento. I vlori ono tti mediti ul numero di prove eeguite, cercndo di tenere conto dei molteplici fttori di influenz ul trttmento. Cmpiontur cicli tndrd Seguendo le metodologie decritte nei precedenti prgrfi, ono tti cmpionti inizilmente i cicli produttivi già tndrdizzti dll ziend. I cicli oggetto di nlii ono tti quelli venti come oiettivo il rggiungimento di un vlore di profondità efficce di indurimento di 0.3 mm () e di 0.4 mm (). Queti cicli vengono differenziti in funzione dell impinto oervto. Cmpiontur cicli con protoido d zoto Durnte l eecuzione dell cmpiontur dei cicli tndrd i ono ffrontte nche le prime perimentzioni reltive l protoido di zoto. L perimentzione è tt oggett d evoluzioni per qunto rigurd l conformzione dei cicli perimentli pplicti, in coniderzione del ftto che il mterile trttto fcev prte dell produzione ziendle ordinri. Speo ono tti confrontti i dti reltivi i cmpioni dell perimentzione con nlii eeguite ui pezzi meccnici commercili trttti, l fine di verificre l efficci dei cicli nche u di ei. Tutti i dti, di cui l T. 3 è un przile conuntivo, ono tti rccolti ed elorti con fogli elettronici per poter eeguire un pprofondit indgine di tipo ttitico. Confronto tr le crtteritiche fiico-meccniche Durezze uperficili L nlii ttitic h meo in evidenz che i vlori medi dell durezz uperficile, vlutt con crichi crecenti, ono perfettmente confrontili tr i cicli tndrd e quelli perimentli omologhi con protoido; le differenze di durezz uperficile ottenut per i cicli omologhi ono entro cmpi di tollernz del tutto ccettili. Nei grfici di Fig. 4 i pone in evidenz nche il confronto tr i due impinti. Le prove di durezz uperficile ui cmpioni ottopoti nitrurzione con protoido di zoto non hnno generto cricctur evidente dell coltre inc nemmeno con crichi elevti. Minime criccture ono tte rilevte olo nei rri ci di coltre inc con peori oltre i 7 μm. Grdienti di durezz Compleivmente i rilev che i cicli con protoido di zoto hnno portto uoni riultti di durezz efficce. Di eguito, nelle figure 5-, ono riportti i grdienti di durezz medi ottenuti per i trttmenti ed con e enz protoido di zoto, nei due impinti oggetto di perimentzione; i grdienti ono ociti i progrmmi di ciclo di trttmento, codificti nel controllore informtico. In Fig. 5 ono riportti i grdienti medi di due cicli perimentli di trttmento, effettuti con l impinto ; i può notre che il ciclo tndrd (P.4) grntice un profondità efficce medi di 0.5mm, il grdiente medio reltivo l primo ciclo perimentle (P.9) rriv 0.mm efficci e il econdo ciclo perimentle (P.8) conente di rrivre 0.5mm efficci. Durnte l perimentzione, l oervzione del riultto medio otteniile con i cicli tndrd h meo in evidenz l poiilità di ridurre l profondità efficce per non conferire i pezzi un ecceivo indurimento. Pertnto, l produzione è tt indirizz- 4 prile 009 << l metllurgi itlin

5 Trttmenti termici Fig. 4 Grfico di confronto dell durezz uperficile ottenut negli impinti e : () per i cicli ed - N, () per i cicli ed -N. Surfce hrdne comprion otined in implnt nd : () nd -N cycle, () nd -N cycle. t ll uo del progrmm (P.9) che grntice un profondità efficce di 0. mm. Di quete coniderzioni i terrà conto nel confronto tr i tempi ciclo, nel prgrfo dedicto queto tipo di nlii. Per l impinto i riultti ottenuti con i cicli tndrd e con quelli perimentli -N ono perfettmente comprili (Fig. 5). Il ciclo perimentle (P.9) fornice profondità efficci di 0. mm comprili con i cicli tndrd (P.5). I cicli perimentli per l cle di trttmento hnno nch ei dto uoni riultti nel rggiungimento dell profondità efficce, nche e l profondità efficce rggiunt di cicli tndrd è leggermente più elevt per entrmi gli impinti (Fig. ). Queti riultti poono eere legti l ftto che l diminuzione percentule di tempo pportt i cicli tndrd, per entrmi gli impinti, è leggermente uperiore ripetto ll diminuzione pportt i cicli. Inoltre, l perimentzione reltiv i cicli di trttmento tipo è tt più limitt per vi del ftto che i due impinti oggetto dell perimentzione te ono prevlentemente impiegti per l eecuzione di trttmenti di nitrurzione profond. È d oervre, infine, che per gli tei cicli tndrd le profondità rggiunte ono riultte eere ddirittur ecceive, quindi l legger differenz di profondità può eere conidert del tutto tollerile e non deiderile. Fig. 5 Confronto tr i grdienti di durezz medi per cicli ed -N : () impinto, () impinto. Averge hrdne grdient comprion for nd -N cycle: () implnt, () implnt. È tto oervto che i trttmenti perimentli hnno grntito un uon ripetiilità dei grdienti di durezz. Dl punto di vit produttivo è di etrem importnz l cpcità di fornire un riultto ripetiile e quindi controllile. In Fig. 7 i riportno dei grfici che mettono in evidenz l ripetiilità dei grdienti di durezz per il ciclo perimentle -N, ripettivmente nell impinto e nell impinto. Si oerv che i grdienti di durezz ono diperi entro un cmpo di mpiezz del tutto ccettile (4-5%). Si può quindi ffermre che l perimentzione i confermto un uon ripetiilità dei grdienti di durezz otteniili con i cicli di nitrurzione con protoido. Strto dei compoti L impiego del protoido di zoto, ccelerndo l cinetic di nitrurzione, h un influenz ull formzione e ull crecit degli trti induriti. Si è verificto che un uo indeguto dello teo protoido port peori dell coltre inc troppo elevti, e quindi indeiderili, pertnto deve eere en controllto per non portre riultti finli non voluti. Per i due diveri impinti, i riport di eguito l ttitic reltiv gli peori dell coltre inc e dello trto poroo; ono mei in evidenz i vlori medi ottenuti con i vri progrmmi di nitrurzione, e vengono confrontti con i cicli omologhi che l metllurgi itlin >> prile 009 5

6 Trttmenti termici << Memorie Fig. Confronto tr i grdienti di durezz medi per cicli ed -N : () impinto, () impinto. Averge hrdne grdient comprion for nd -N cycle: () implnt, () implnt. prevedono l impiego di protoido di zoto. In T. 4 i può notre che i vlori medi degli peori delle coltri inche ottenute con i cicli che prevedono l impiego di protoido ono entro limiti più che ccettili, eppure leggermente uperiori, m del tutto confrontili, con i ripettivi cicli omologhi che non impiegno protoido. In ogni co gli peori di coltre inc rilevti non ono mi riultti uperiori i limiti di ccettilità impoti dll norm UNI Nei grfici di Fig. 8 è riportt l diperione dei dti reltivi gli peori delle coltri inche e degli trti poroi rilevti nell Fig. 7 Ripetiilità dei grdienti di durezz per i trttmenti perimentli -N : () impinto, () impinto. Repetility of hrdne grdient for -N innovtive tretment: () implnt, () implnt. perimentzione per due cicli di nitrurzione ed - N eeguiti nell impinto. Durt dei trttmenti Confronto tr cicli omologhi L perimentzione h evidenzito l poiilità di ridurre i tempi-ciclo per i trttmenti nlizzti. Le progreive piccole vrizioni dei cicli hnno permeo di ottimizzre i tempi-ciclo in funzione del riultto richieto dll produzione ziendle. Il confronto dei tempi-ciclo deve eere effettuto tenendo in coniderzione il riultto finle ottenuto. In Fig. 9 i riportno TRATTAMENT Impinto Progrmm Coltre inc [μm] Strto poroo [μm] N N T. 4 Riunto dei dti reltivi gli peori di coltre inc ottenut per i cicli di trttmento ed -N, ed -N. Dt referred to the white lyer thicknee in, -N, nd -N tretment cycle N N.5.5 prile 009 << l metllurgi itlin

7 Trttmenti termici TRATTAMENT Progrmm Impinto Tempo ciclo [h] Profondit efficce [mm] Riprmio tempo 4 8,5 0,5 -N 8 0,5 5% 5 5 0, -N 9 5 0, 0% 0,4 -N 3 0,38 9% 0,4 -N 3 0,38 7% T. 5 Riunto dei tempi-ciclo e clcolo del riprmio percentule prità di riultto per i trttmenti, -N, ed -N per gli impinti e. Time-cycle dt nd percentge ving evlution in, -N, nd -N tretment for implnt nd, in the me opertionl condition. Fig. 8 Speori dell coltre inc e del reltivo trto poroo per i cicli di nitrurzione ) e ) -N in impinto. Thicknee of the white lyer nd of the correponding nitride utrte for nitriding cycle ) nd ) -N in implnt. confronto i tempi-ciclo per i progrmmi (P.4) reltivo l trttmento, e i progrmmi (P.8) e (P.9) per il trttmento -N ; i può notre che il ciclo derivto dl progrmm (P.9) riduce drticmente il tempo di volgimento del trttmento, fcendo riprmire 30 h; tuttvi l profondità efficce otteniile con tle ciclo è inferiore ripetto l ciclo tndrd, d qunto rilevto in Si riport in T. 5 un confronto tr i tempi-ciclo, poti in relzione prità di riultto ottenuto. Per i cicli -N il riprmio di tempo-ciclo è evidente e può eere coniderto ttorno l 0 5%, ripetto i cicli tndrd, tenendo dovutmente conto degli errori perimentli. Per qunto rigurd i cicli -N nche in queto co i ricontr un mrcto riprmio di tempo, ddirittur uperiore ripetto i cicli più lunghi. Queto potree eere dto dl ftto che l dorimento di zoto, e quindi l nitrurzione, non h un ndmento linere con il procedere del trttmento; inftti, l ipeimento dell coltre inc e l llontnmento del fronte di dorimento di zoto rendono più difficoltoo il pggio dell zoto teo. Dunque l cpcità di dorimento di zoto cl con lo viluppri del trttmento, e i cicli più corti rientono mggiormente del fvorevole impiego del protoido di zoto. D non ottovlutre è inoltre l poiile diver ripot del forno ll impiego del protoido di zoto; l diver cpcità diocitiv è dipendente nche dll geometri dell tort, nonché dl moto di ricircolo l uo interno. È poiile che le diverità tr gli impinti portino divere efficienze Fig. 9 Grfici tempertur-tempo di confronto per lcuni progrmmi di nitrurzione e -N. Temperture-time digrm: comprion etween nd -N nitriding progrm. l metllurgi itlin >> prile 009 7

8 Trttmenti termici << Memorie Coto [ /kg]* Peo pecifico [kg/l] NH N T. Prmetri di riferimento per il clcolo dei coti (*dti reltivi l 00). Reference prmeter for cot evlution (*00 dt). Fig. 0 Confronto tr i tempi-ciclo tndrd e quelli perimentli: ) impinto, ) impinto. Comprion etween tndrd nd innovtive time-cycle: ) implnt, ) implnt. dei cicli perimentli. Nei grfici di Fig. 0 i pone in evidenz il riprmio ui tempi-ciclo, ottenuto con l perimentzione, per i ingoli impinti. VALUTAZINI ECNMICHE Anlii dei coti per i cicli produttivi Quet nlii i eenzilmente ul confronto tr i coti di proceo dei cicli per i trttmenti tndrd e per quelli che prevedono l uo del protoido d zoto, prendendo in coniderzione, per qunto poiile, i fttori mggiormente incidenti. Vi ono fttori energetici, reltivi l dipendio/contenimento dei g tecnici di proceo, e fttori legti ll pinificzione dell produzione. Coti dei g di proceo L tim dei coti dei g di proceo nei cicli di trttmento è tt condott clcolndo l quntità di g tecnici impiegti, lmeno teoricmente, nei trttmenti omologhi. Sono tti prei in coniderzione i prmetri reltivi i coti e i pei pecifici dei g tecnici riportti in T.. È tto viluppto un lgoritmo di clcolo che in funzione dei tempi e ulle portte dei g di proceo è in grdo di vlutre il riprmio di un ciclo ripetto ll ltro. Anlizzndo con tle lgoritmo il coto del ciclo tndrd econdo il progrmm (P.4) e del ciclo perimentle -N econdo il progrmm (P.8), che hnno dto in fe di perimentzione riultti opertivi nloghi, è tto timto un riprmio percentule pri l 8% per il trttmento perimentle. Nonotnte, inftti, il mggiore coto pecifico del protoido di zoto ripetto ll mmonic, il ciclo perimentle h un minore coto compleivo ripetto quello tndrd grzie ll ttimento dei tempi-ciclo. Coti dell energi elettric L riduzione dei tempi-ciclo port nche d un minor dipendio in termini di energi elettric pe. Sono tti prei in coniderzione i coti energetici delle vrie fi di ricldmento e di mntenimento per i cicli tndrd e per quelli perimentli con protoido. Ponendo confronto i coti compleivi di energi elettric, vlutti per il progrmm (P.4) del ciclo tndrd e per il progrmm (P.8) del ciclo perimentle -N, i è timto un riprmio energetico pri circ il %. È d oervre che il riprmio ui coti dovuti ll energi elettric è comprile con quello ottenuto ul coto dei g tecnici. CNCLUSINI Nel preente lvoro, che h cotituito l ttività perimentle di un tei di Lure in Ingegneri dei Mterili, è tto eeguito un confronto tr cicli tndrd di trttmento termochimico di nitrurzione go e cicli perimentli con protoido d zoto, eeguiti ull cciio 4CrMo4. Dl confronto tr i cicli tndrd e quelli perimentli è tto meo in evidenz come le crtteritiche tecniche dei cmpioni trttti e nlizzti ino riultte del tutto comprili per ciò che rigurd l durezz uperficile, gli peori di coltre inc ottenuti e l morfologi dei nitruri come rilevto delle nlii microtrutturli. Il vntggio più evidente rigurd il riprmio di tempo-ciclo prità di profondità efficce ottenut, confermto mpimente dll utilizzo itemtico dei cicli tetti nche nell produzione effettiv. Ulteriori vntggi economici riultno evidenti dl confronto dei coti di produzione. Il mggior coto pecifico del protoido di zoto è mmortizzto mpimente dl riprmio compleivo ui g grzie ll diminuzione dei tempi-ciclo e quindi d un minore impiego compleivo di mmonic. Inoltre, il clo dei tempi-ciclo port d un non trcurile diminuzione dei conumi di energi elettric per effetto di un coneguente minore neceità di mntenimento lle elevte temperture di proceo. Infine, l diminuzione dei tempi di impegno impinto ne pport un mggiore diponiilità, trduciile in un poiile migliore cpcità di pinificzione dell produzione. RINGRAZIAMENTI Si ringrzi l ziend Siderit.r.l di Zol Predo (B), tutto il peronle opertivo preente nel lortorio metllurgico e nei reprti produttivi, in prticolre il reponile del progetto di 8 prile 009 << l metllurgi itlin

9 Trttmenti termici ricerc Sig. Polo Porcu, per ver reo poiili le perimentzioni oggetto di queto lvoro. BIBLIGRAFIA ] D. GHIGLINE et l., Prtique de tritement thermochimique Nitrurtion, nitrocrurtion et dérivé, Technique de l ingénieur, trité Mtériux Métllique M doc.7 (99) ] P.SCHAAF, Ler nitriding of metl, Progre in mteril cience 47 (00) p.- 3] E. LEHRER, Üer d Eien Wertoff-Ammonik, Gleichgewicht Z. Elektrochemie 3- (930) p ] A. BURDESE, Metllurgi e tecnologi dei mterili metllici, UTET, Torino (99), p.44 5] T. BELL, ASM Hndook vol.4, ed. ASM, Metl Prk, hio (99), p.387 ] C. CIBALDI, I criteri di celt e di trttmento degli ccii d cotruzione e d utenili, AQM, Breci (00), p.503 7] J.D. FAST, Interction of metl nd ge, Kinetic nd Mechnim, Mcmilln Pre. LTD., London (97) 8] M. JKRWIN nd A. MANCUS, L nitrurzione controllt in g, Rivit di meccnic (II) 9 (987) p.80 9] W. LERCHE, Freierger Forchunghefte 85 (97) p. 0] M. 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The urfce hrdening i due to the depoition of ε iron nitride directly on the metl urfce nd to the precipittion of γ iron nitride on the utrte. The reerch for new efficient nd indutrilly pplicle olution led to ue n dditionl g in the proce. In the preent reerch the effect of the introduction of nitrogen protoxide within the nhydrou mmoni in the proce environment h een teted. Tet hve een performed inide of the Siderit.r.l. etlihment in Zol Predo (Bologn-Itly). Initilly, the tndrd nitriding ABSTRACT procee in the nhydrou mmoni environment hve een tudied, introducing mple in 4CrMo4 teel within the production mteril inide of the retort furnce. The cycle le to gurntee urfce hrdening of 0.3 nd 0.4 millimeter depth - nmely nd repectively - hve een tken into ccount. Suequently, the me mple hve een relied introducing the protoxide of nitrogen proceing g nd evluting it quntity repect to mmoni, tep y tep. The mechnicl nd metllurgicl chrcterition of the tndrd procee nd of the one with the ue of N within the nitriding environment hve een performed; Vicker hrdne tet on the mple treted urfce nd lo Vicker micro hrdne profile on the treted thicknee hve een crried out. Moreover, the qulity of the nitriding lyer, otined y the different proceing prmeter, hve een evluted through creful metllogrphic nlyi. The ue of nitrogen protoxide cn improve the kinetic of the proce, which led to reduction of the proce time repect to the tndrd procee of out 0-30%. Depite tht, the mechnicl nd metllurgicl chrcteritic of the mple treted with the dditionl N g re comprle with the one treted y men of the trditionl thermochemicl proce. Thi wy, the ue of nitrogen protoxide could e of gret importnce in indutril nitriding procee. Pro nd contr in term of feiility nd cot re dicued on the i of qulittive comprion with currently pplied indutril procee. l metllurgi itlin >> prile 009 9