8. TRATTAMENTI DI SUPERFICIE Edizione di gennaio 2002 TRATTAMENTO TERMOCHIMICO DI SUPERFICIE: NITRURAZIONE. Principio generale

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1 Per aumentare la loro resistenza al grippaggio e minimizzare l'usura in esercizio, gli acciai per utensili sono sempre più di frequente trattati superficialmente con nitrurazione o sono rivestiti con dei depositi metallici. Questo trattamento di superficie permette anche di incrementare decisamente la durezza superficiale dei pezzi e di aumentare la tenuta in esercizio degli utensili sottoposti all'usura abrasiva e adesiva. TRATTAMENTO TERMOCHIMICO DI SUPERFICIE: NITRURAZIONE La nitrurazione è un trattamento termochimico di indurimento superficiale con diffusione d'azoto atomico sulla superficie dei pezzi precedentemente trattati con tempra e rinvenimento. L'inserimento degli atomi d azoto e la formazione di nitruri con gli elementi di lega dell'acciaio provocano un indurimento della superficie (da 75 a 14 HV) conferendo le proprietà desiderate: Miglioramento della resistenza all usura e al grippaggio dei materiali; Aumento del limite di fatica del materiale grazie alle tensioni di compressione create dal trattamento ; Conservazione delle strutture metallurgiche del materiale e quindi delle sue caratteristiche meccaniche massiche se il rinvenimento è stato effettuato ad una temperatura superiore a quella del trattamento di superficie. Inoltre, questo trattamento, non avendo bisogno di tempra dopo la diffusione, provoca solo una deformazione limitata dei pezzi. Si constata, ciò nondimeno, un gonfiamento sistematico, provocato dall apporto d'azoto nel reticolo cristallino del materiale. Si deve quindi eventualmente prevedere un cambio della posizione della tolleranza di lavorazione. Principio generale A contatto della struttura cristallografica cubica centrata dell'acciaio riscaldato oltre 45 C, gli ioni d'azoto molto piccoli penetrano facilmente nel reticolo ( ) che saturano rapidamente occupando i siti vacanti. Formano poi dei nitruri combinandosi con gli atomi di ferro della superficie ( ) per costituire uno strato di combinazione molto dura. Successivamente, l'azoto penetra all interno dell'acciaio per dare uno strato di diffusione il cui spessore sarà in funzione della temperatura Strato combinaz. di Strato di diffusione e del tempo di trattamento ( ). Figura 1 - Meccanismo di nitrurazione di un acciaio TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 1/16

2 La Figura 1 schematizza il meccanismo di diffusione dell'azoto nell'acciaio, e la La Figura 2 mostra i diversi strati formati sul TENASTEEL nitrurato per via gassosa. Strato di Combinazione Strato di Diffusione 1 µm Substrato Figura 2 Micrografia di un campione di TENASTEEL dopo nitrurazione gassosa Penetrando nel reticolo, l'azoto respinge il carbonio dell'acciaio, cosa che permette di mettere in evidenza lo strato di diffusione. Lo spessore dello strato di diffusione può anche essere stimato a partire da una filiazione di durezza dalla superficie verso l'interno dell'acciaio. La figura 3 mostra che questo spessore è molto difficile da misurare con precisione Strato di combinazione Strato di diffusione Profondità (µm) Figura 3 Filiazione di microdurezza a partire dalla superficie di uno strato nitrurato TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 2/16

3 8. TRATTAMENTI DI SUPERFICIE Lo strato di combinazione superficiale formato da nitruri di ferro è molto duro. Esso favorisce lo scivolamento e aumenta la resistenza all'usura e al grippaggio. Lo strato di diffusione sottostante assicura una buona resistenza alla fatica e rafforza anche la resistenza all usura. La durezza dello strato di nitrurazione è dovuta alle tensioni residue che sono indotte nella struttura (figura 4) con l'inserimento degli atomi d'azoto e la formazione dei nitruri che possono prendere due forme cristalline: Esagonale per la fase ε (parametri di maglia a = 5,53 Å, b = 4,83 Å e c = 4,42 Å) per il nitruro di ferro Fe 2,3 N Cubica per la fase γ' (a facce centrate con un parametro di maglia da 3,79 Å) per il nitruro Fe 4 N 11 1 Du rez za (H V) Serie1 Serie Te nsi oni res idu e (M Pa ) 5-5 superficie profondità substrato Figura 4 - Influenza delle tensioni residue nello strato nitrurato, sull'evoluzione della sua durezza Le caratteristiche e lo spessore di questi diversi costituenti dello strato nitrurato sono funzione del tipo d'acciaio, della temperatura, del tempo e della natura del trattamento, poiché la nitrurazione può essere ottenuta: in bagno di sali, per via gassosa, per bombardamento ionico. La tabella qui di seguito riassume alcuni vantaggi e inconvenienti delle diverse tecniche di nitrurazione. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 3/16

4 Nitrurazione Vantaggi Inconvenienti Bagni di sali Gassosa Ionica - Economico - Tutte le dimensioni e le forme di pezzi - Strato di combinazione: poroso poi compatto e duro i pori possono servire da serbatoi di lubrificante miglioramento del coefficiente di sfregamento. - Trattamento in profondità (strato di combinazione duro e compatto) - Facilità di messa in opera - Trattamento poco oneroso - Trattamento di grandi pezzi - Procedimento flessibile - Possibilità di trattare a bassa temperatura (a partire da 45 C) - Nessuna ripresa in rettifica - Procedimento rapido, non inquinante e di grande pulizia - Tenacità degli strati nitrurati - Morfologia di superficie immutata Alcuni aspetti dei vari metodi di nitrurazione - Trattamento ed eliminazione dei sali - Procedimento sempre meno utilizzato - Superficie: maggiore rugosità - Ripresa eventuale in rettifica per eliminare lo strato di combinazione fragile - Mancanza di flessibilità del procedimento - Gas tossici - Ripresa eventuale in rettifica per eliminare lo strato di combinazione fragile - Trattamento oneroso - Trattamento per famiglie di pezzi di geometria vicina - Difficoltà a trattare i piccoli alesaggi Nitrurazione in bagno di sale In questo procedimento, gli atomi d'azoto sono ottenuti dalla decomposizione e dall'ossidazione dei cianati presenti nei bagni dove sono immersi i pezzi secondo le equazioni e : 4CNO 2CNO + 2 CO + CO + 2CN + 3 2N 2 O 2 CO + 3 CO + 2N I cianuri formati (CN - ) sono eliminati con dei sulfuri nei procedimenti Sursulf e Sulfinuz e con dei sali rigeneranti vicini all urea nel caso dei procedimenti Tenifer. Grazie all elevato potenziale nitrurante dei bagni di sali, questo procedimento permette di ottenere degli strati di nitrurazione con un tempo di trattamento relativamente breve: generalmente da 3 minuti a due ore di Tenifer nelle nostre prove sul TENASTEEL. La figura 5 qui di seguito mostra i risultati ottenuti in queste condizioni. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 4/16

5 Profondità (mm) Profondità (mm) -,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 -,18 5 µm -, ,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, Figura 5 Morfologia e caratteristiche di strati nitrurati del TENASTEEL ottenuti con trattamento Tenifer (3 minuti e 2 ore) Dopo 3 minuti di trattamento a 57 C lo strato di combinazione da 15 a 2 µm presenta una durezza di 15 HV. Lo strato di diffusione può essere stimato a 2 µm. Se il trattamento è prolungato fino a 2 ore, gli strati di combinazione e di diffusione possono raggiungere 3 e da 3 a 35 µm rispettivamente. La durezza superficiale aumenta quindi fino a 1115HV. Questi spessori possono essere stimati a partire dalle micrografie e dalle evoluzioni di durezza rappresentate nella figura 5. Infine, la figura 6 qui di seguito mostra l'evoluzione della durezza della matrice di TENASTEEL sotto lo strato nitrurato. Dopo 3 minuti di trattamento Tenifer, una media di 675 HV corrispondente a 59 HRC è conservata fino al cuore del pezzo. Al contrario, si osserva una leggera perdita di durezza dopo 2 ore di trattamento in bagno di sale a 57 C, poiché il valore medio misurato nel pezzo è di 645 HV. Questa durezza è ancora del tutto accettabile, poiché essa si piazza a 58 HRC, nella gamma d'utilizzo di questo tipo d'acciaio. Si deve segnalare che, per le stesse condizioni di trattamento, la durezza dell X16 Cr Mo V12 sarebbe precipita a circa 52 HRC. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 5/16

6 Cubo n 1 bagno di sale - 3 mn a 57 C Cubo n 5 bagno di sale - 2 h a 57 C Durezza Vickers Distanza rispetto alla pelle (mm) Figura 6 Durezza della matrice del TENASTEEL sotto,5 kgf, dopo nitrurazione in Tenifer a 57 C Nitrurazione gassosa Nella nitrurazione gassosa, gli atomi d'azoto sono forniti dalla decomposizione dell'ammoniaca gassosa a contatto con una superficie ferrosa. NH 3 N + 3H Il trattamento è effettuato ad una temperatura compresa tra 5 e 57 C in un forno stagno a convezione forzata nel quale è iniettata una miscela gassosa attiva (NH 3 + CH 4 o NH 3 + N 2 o ancora NH 3 + NO 2 (ossidante attivatore) + N 2 secondo il procedimento adottato: Nitemper, Trinding, Nitroc o Alnat N). La natura e la composizione dello strato nitrurato dipendono, secondo il tipo d'acciaio, dal tempo di trattamento, dalla temperatura, dalla superficie del pezzo, come anche dall atmosfera e dalla portata di gas introdotto nel forno. Uno studio comparativo sulla nitrurazione del TENASTEEL e dell X16 Cr Mo V12 è stato condotto su dei materiali trattati a 6 HRC. Tre campioni di ogni tipo sono stati nitrurati a 525 C, nello stesso forno con TBI. I risultati ottenuti dopo 4, 8 e 16 ore di trattamento sono riassunti nella Figura 7. Gli strati nitrurati sulla superficie del TENASTEEL appaiono omogenei in spessore e morfologia. Al contrario, quelli che ricoprono l X16 Cr Mo V12 ospitano numerosi carburi e presentano uno spessore molto ineguale, come illustrano le micrografie della parte destra della Figura 7. Per questo, se è relativamente facile determinare gli spessori degli strati nitrurati sul TENASTEEL, non si può dire lo stesso per l X16 Cr Mo V12, dove le misure date qui sotto sono state determinate nelle zone più spesse (che non corrispondono necessariamente alle micrografie presentate). TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 6/16

7 Per il TENASTEEL, le misure dello spessore degli strati nitrurati ottenuti sulle micrografie o per filiazione di micro-durezza sono coerenti e portano a dei valori vicini a 6, 8 e 12 µm per dei tempi di trattamento rispettivamente di 4, 8 e 16 ore. Al contrario, per l X16 Cr Mo V12, gli spessori massimi possono raggiungere solo 6, 7 e 8 µm per gli stessi tempi di trattamento. Le micrografie della Figura 7 mostrano che in certe zone questo strato nitrurato discende fino a 2 µm dopo 4 ore di trattamento o 4 µm dopo 8 ore (rispettivamente 6 e 8 µm per il TENASTEEL. Precisiamo inoltre che la presenza di numerosi grossi carburi nello strato nitrurato e alla sua interfaccia con il substrato, ne ridurrà l adesione, portando a delle scagliature di questo strato nel caso dell X16 Cr Mo V12. Profondità (mm) -,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, ,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, TENASTEEL 4 h X16 Cr Mo V12 4 h Profondità (mm) -,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, TENASTEEL 8 h X16 Cr Mo V12 8 h Profondità (mm) -,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, TENASTEEL 16 h X16 Cr Mo V12 16 h Profondità (mm) Profondità (mm) Profondità (mm) -,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, ,2 -,4 -,6 -,8 -,1 -,12 -,14 -,16 5 µm -,18 -, Figura 7 - Morfologia e caratteristiche degli strati nitrurati ottenuti con trattamento gassoso - Confronto TENASTEEL X16 Cr Mo V12 TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 7/16

8 Il secondo punto importante da sottolineare è l'evoluzione della durezza della matrice nel corso del trattamento termico. La Figura 8 mostra le durezze misurate nelle matrici di TENASTEEL e di X16 Cr Mo V12 dopo 4, 8 e 16 ore di nitrurazione gassosa a 525 C. I due acciai erano trattati a 6 HRC prima della nitrurazione Durezza Hv.1 Kgf TENASTEEL Tenasteel 4h Z16CDV12 4h Tenasteel 8h Z16CDV12 8h Tenasteel 16h Z16CDV12 16h Z16CDV Durezza (HRC) Spessore dei campioni (mm) 45 Figura 8 Durezze confrontate della matrice di TENASTEEL e di X16 Cr Mo V12 dopo nitrurazione in fase gassosa a 525 C Il TENASTEEL conserva la sua durezza dopo la nitrurazione gassosa, un trattamento di 16 ore porta solo a una diminuzione di 1 HRC con passaggio da 6 a 59 HRC. Al contrario, la durezza dell X16 Cr Mo V12 crolla, poiché passa da 6 HRC prima del trattamento a 55, 56 e anche 51 HRC dopo rispettivamente 4, 8 e 16 ore di nitrurazione gassosa. Questo addolcimento della matrice non è sorprendente se si guarda la Figura 8 che descrive l'evoluzione della durezza di questo acciaio nel corso dei trattamenti termici. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 8/16

9 Nitrurazione ionica Questo procedimento messo a punto dal gruppo Usinor da Aciéries de Pompey la cui officina si è trasformata in società sotto il nome di NITRUVID, presenta due vantaggi essenziali rispetto alle altre tecniche di nitrurazione : Restituzione della geometria e dello stato di superficie + Pezzo da trattare Permette d'evitare l infragilimento eccessivo degli strati nitrurati, come succede a volte con gli altri procedimenti. - arrivo del gas Vuoto Figura 9 schema di principio della nitrurazione ionica Il principio del trattamento è illustrato dalla Figura 9. Una pressione da 1 a 5 torr di gas (N2 + H2 + eventualmente CH 4 o H 2 S ) è fissata nell ambiente. Si applica una differenza di potenziale da 3 a 1 V tra i due elettrodi provocando la formazione di un plasma luminescente che contiene degli ioni attivi N +. Sotto l effetto dell elevata differenza di potenziale, gli ioni positivi sono bombardati sulla superficie dei pezzi posti al catodo, provocando una tripla azione: Riscaldamento dei pezzi per dissipazione dell energia cinetica degli ioni in energia termica; Decapaggio della superficie dei pezzi con polverizzazione catodica grandissima reattività superficiale ; Installazione di ioni d azoto necessari alla formazione dei nitruri metallici. La composizione e lo spessore degli strati nitrurati dipende dalla temperatura di trattamento, dalla composizione della miscela gassosa e dalla sua pressione. La padronanza di questi parametri permette di controllare perfettamente lo spessore dello strato di combinazione che può essere reso minimo per evitare la scagliatura, addirittura può anche essere eliminato. Segnaliamo infine che questo trattamento rapido permette di ottenere degli strati nitrurati che presentano una tenacità ben superiore a quella ottenuta con gli altri procedimenti gassosi o i bagni di sali. Presso METATHERM sono state effettuate delle prove sul TENASTEEL. Due campioni di ogni tipo sono stati nitrurati in queste identiche condizioni a 525 C. I risultati ottenuti dopo 6 e 24 ore di trattamento sono riassunti nella figura 1. Gli strati nitrurati in superficie del TENASTEEL appaiono omogenei di spessore e morfologia. Al contrario, come in precedenza, quelli che ricoprono l X16 Cr Mo V12 ospitano numerosi carburi e presentano uno spessore molto ineguale. Per il TENASTEEL, le misure dello spessore degli strati nitrurati ottenuti sulle micrografie o per filiazione di micro-durezza sono coerenti e portano a dei valori vicini a 1 e 14 µm per dei tempi di trattamento rispettivamente di 6 e 24 ore. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 9/16

10 Per l X16 Cr Mo V12, gli spessori non superano 5 e 1 µm per gli stessi tempi di trattamento. L'impiego del TENASTEEL permette quindi di diminuire i tempi di nitrurazione e di ottenere uno strato di spessore constante su tutta la superficie del pezzo. Precisiamo inoltre che la presenza di numerosi grossi carburi nello strato nitrurato e alla sua interfaccia con il substrato ridurrà la sua adesione, e porterà a delle scagliature di questo strato nel caso dell X16 Cr Mo V12. -,2 -,4 Pr of -,6 on -,8 dit à -,1 (m -,12 m) -,14 -,16 -,18 -,2 -,16 -,18 5 µm -, Durezza (HV) -,2 Pr -,4 of -,6 on dit -,8 à -,1 (m -,12 m) -,14 TENASTEEL 6 h X 16 Cr Mo V12 6 H -,2 -,4 Pr of -,6 on -,8 dit à -,1 (m -,12 m) -,14 -,16 -,18 5 µm -, Durezza (HV) TENASTEEL 24 h X 16 Cr Mo V12 24 H Figura 1 - Morfologia e caratteristiche degli strati nitrurati ottenuti con trattamento ionico - Confronto TENASTEEL X16 Cr Mo V12 5 µm Durezza (HV) -,2 -,4 Pr of -,6 on -,8 dit à -,1 (m -,12 m) -,14 -,16 5 µm -,18 -, Durezza (HV) TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 1/16

11 Durezza Hv.5 Durezza HRC Spessore (mm) Figura 11 Durezze confrontate della matrice di TENASTEEL e di X16 Cr Mo V12 dopo nitrurazione ionica a 525 C Essendo i pezzi riscaldati solo a 5 C durante questo trattamento, il TENASTEEL come l X16 Cr Mo V12 conservano una durezza di matrice immutata (circa 6 e 59 HRC rispettivamente) come mostra la figura 11. SINTESI L'idoneità alla nitrurazione del TENASTEEL è decisamente superiore a quella dell X16 Cr Mo V12 poiché essa permette di: Ottenere degli strati omogenei per spessore e morfologia; Diminuire i tempi di trattamento; Evitare la scagliatura degli strati nitrurati; Mantenere la durezza della matrice. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 11/16

12 RIVESTIMENTI DI SUPERFICIE CON DEPOSITI METALLICI IN FASE DI VAPORE Gli utensili da taglio, formatura, come anche gli stampi e gli elementi d'iniezione di plastica e d'alluminio sono frequentemente rivestiti di nitruro di titanio che riduce in modo significativo il coefficiente di sfregamento, e migliora ampiamente la resistenza all usura abrasiva e adesiva. Questi rivestimenti, ottenuti per condensazione di vapori metallici sulla superficie del substrato, permettono di formare un deposito metallico che si va ad ancorare ai pezzi trattati. Per questo tipo di rivestimento, la preparazione della superficie del substrato è una tappa essenziale. Essa permetterà di risolvere eventuali problemi d'aderenza con una pulizia e un attivazione della superficie. Il procedimento PVD (Physical Vapour Deposition) I rivestimenti PVD sono ottenuti con sublimazione, a bassa pressione, di un metallo solido (Ti, Cr ad esempio) in un ambiente gassoso (N ad esempio). Il composto formato (TiN, CrN, ) si deposita sui pezzi da rivestire sotto forma di uno strato sottile adesivo conferendo lo nuove proprietà fisiche e chimiche. In questo procedimento, gli atomi metallici che provengono da un bersaglio o da una carica vanno a depositarsi sulla superficie del substrato. Questi atomi possono essere prodotti o con evaporazione, o con polverizzazione figura 12. Ma indipendentemente dal metodo usato, il trattamento è effettuato ad una temperatura inferiore a 5 C, non necessitando alcun trattamento termico dei pezzi dopo il rivestimento. La tecnica per evaporazione comprende tre fasi: l'evaporazione del materiale per riscaldamento di una carica contenuta in un crogiolo il trasferimento delle particelle evaporate dalla carica verso il substrato la condensazione di queste stesse particelle sulla superficie del substrato Evaporazione Polverizzazione Substrato Substrato crogiolo Bersaglio (solido) Figura 12 - Schemi di principio delle tecniche di produzione di atomi metallici per rivestimento PVD TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 12/16

13 La polverizzazione è una tecnica fisica di deposito sotto vuoto che si avvale dell uso di ioni che polverizzano degli atomi di un bersaglio affinché vadano a depositarsi su un substrato situato su questo bersaglio (figura 12). Dal punto di vista delle prestazioni, le due tecniche che permettono di realizzare tutti i tipi di depositi metallici, si distinguono per la velocità di deposito (> 1 µm/s in evaporazione e <,1 µm/s in polverizzazione), la natura del bersaglio (che può essere solido o liquido in evaporazione e obbligatoriamente solido per la polverizzazione), ma soprattutto per il rivestimento e la compattezza del deposito che saranno nettamente superiori nel caso della polverizzazione. Industrialmente, per depositare TiN o TiCN su degli utensili, i procedimenti attualmente utilizzati sono l'arco catodico (un arco elettrico va ad agire sul bersaglio polverizzandone gli atomi) e la polverizzazione magnetron (il bersaglio è dotato di una pista magnetica per aumentare la resa della polverizzazione). Ad esempio, per depositare TiN, è sufficiente avere un bersaglio di titanio e iniettare azoto durante la polverizzazione. In modalità dinamica, gli utensili sono posti su dei porta-substrati che sono in rotazione per assicurare una buona omogeneità del deposito. Delle prove di depositi PVD su TENASTEEL sono stati effettuati presso Balzers. Lo spessore di nitruro di Titanio va da 3 a 4 µm e la durezza superficiale superiore a 15 HV. Il procedimento CVD (Chemical Vapour Deposition) La tecnica CVD permette di realizzare, con reazioni chimiche tra specie in fase di vapore sulla superficie del substrato, dei depositi solidi su diversi supporti metallici. Il rivestimento CVD è ottenuto per reazione chimica di una miscela gassosa attiva decomposta termicamente a delle temperature comprese tra 8 e 1 C, e delle pressioni da 1 a 1 mbar. Il materiale solido è depositato a partire da precursori gassosi che reagiscono sul substrato. Quest ultimo è generalmente riscaldato per fornire l'energia d'attivazione necessaria all avvio della reazione chimica (che può essere una semplice reazione di decomposizione o una reazione di combinazione) e per permettere una mobilità sufficiente degli atomi per formare la strutture desiderata. I vapori dei precursori sono generalmente veicolati da un gas vettore (che può lui stesso essere reattivo). Ad esempio, per o depositi di TiN, TiC e TiCN, il gas reagente è il TiCl 4, in miscela controllata con N 2 o/e CH 4. L'energia necessaria alla reazione chimica può essere fornita con delle tecniche più sofisticate come: il plasma nel caso del PACVD. L'energia è apportata ai gas reattivi o eccitandoli con una scarica elettrica o eccitando il gas vettore (Ar) i cui ioni accelerati trasferiscono la loro energia alle specie reattive (plasma). Il substrato deve ciò nondimeno essere riscaldato, sebbene meno che nel procedimento tradizionale, per assicurare una mobilità e reattività sufficienti degli atomi. il laser per l LACVD. L'energia della radiazione laser è utilizzata per attivare (o rompere) le specie gassose (fotolisi), o per riscaldare il substrato per promuovere la reazione di superficie. Inoltre, l'irradiazione laser del substrato riscalda solo la sua superficie evitando eventuali danni della massa. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 13/16

14 Ad una grande distanza dalla superficie del substrato, la concentrazione dei precursori gassosi non varia in funzione della distanza alla superficie. Al contrario, vicino la superficie, questa concentrazione diminuisce a causa del consumo del reagente. La concentrazione del prodotto di decomposizione (residuo gassoso della reazione chimica) subisce una variazione inversa. Lo strato gassoso nel quale le concentrazioni variano si chiama lo strato limite. La figura 13 mostra che la cinetica del procedimento dipende da varie tappe: Flusso Fase gassosa Strato limite interfaccia (1) Convezione del reagente gassoso (flusso dinamico) (2) Diffusione del reagente verso il substrato (3) Assorbimento del reagente sul substrato (4) Reazione chimica della specie assorbita (5) Desorbimento dei prodotti gassosi della reazione (6) Diffusione di questi prodotti attraverso lo strato limite (7) Evacuazione dei gas dal sistema Figura 9 13 Varie Varie tapper tappe del del procedimento CVD CVD Oltre all ottima aderenza del rivestimento (ben superiore a quella ottenuta per depositi PVD grazie alla stretta diffusione tra il substrato e il deposito a causa dell alta temperatura di realizzazione del trattamento), segnaliamo tra i vari vantaggi di questa tecnica: La grande velocità di deposito: può raggiungere da 1 a 1 angström per minuto; Il controllo della stechiometria, della morfologia, della struttura cristallina e dell'orientamento di crescita che possono essere aggiustati controllando i parametri di deposito; Il rivestimento uniforme di forme complesse e cave; La possibilità di ottenere dei depositi di alta purezza mediante una purificazione spinta dei precursori. Il principale inconveniente della tecnica è certamente la temperatura di lavorazione compresa tra 8 e 1 C che impone la realizzazione di un trattamento sotto vuoto di tempra e rinvenimento dei pezzi dopo rivestimento CVD. La conoscenza della stabilità dimensionale del substrato nel corso dei trattamenti termici è quindi indispensabile per ottenere le classi finali dei pezzi. Le misure effettuate su delle placchette di TENASTEEL di 1 x 1 x 25 mm sono riportate nella figura 14. TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 14/16

15 Cambi di dimensioni (%),2,15,1,5, -,5 -,1 Austenizzazione: 1 C -, Temperatura di rinvenimento ( C) Larghezza Lunghezza Spessore Figura 14 Variazioni dimensionali nel corso dei trattamenti di tempra e doppio rinvenimento del TENASTEEL In Germania sono state effettuate delle prove di depositi CVD su TENASTEEL con VST. Un rivestimento misto TiCTiN è stato depositato con degli spessori da 3 a 5 µm ognuno. Il primo strato di TiC permette un eccellente ancoraggio del rivestimento per migrazione del carbonio nel substrato, quindi è formato uno strato intermedio composto da TiCN prima che lo strato di TiN molto duro sia depositato. Lo spessore totale di rivestimento era da 1 a 12 µm e la sua durezza superficiale vicina a 24 HV. Per questo tipo di rivestimento, il grosso vantaggio del TENASTEEL rispetto all X16 Cr Mo V12 riguarda la finezza e la ripartizione dei carburi. Infatti, la presenza di grossi carburi di cromo sull interfaccia tra il substrato e il rivestimento ne diminuisce l adesione. SINTESI L'aderenza del rivestimento è decisamente migliorata sull acciaio TENASTEEL grazie alla diminuzione della dimensione dei carburi TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 15/16

16 TENASTEEL Trattamenti di superficie Pagina 16/16