DUREZZA SUPERFICIALE RESISTENZA ALL USURA

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1 RIDOTTO ATTRITO DUREZZA SUPERFICIALE RISPETTO GEOMETRIE RESISTENZA ALL USURA ASPETTO ESTETICO NERO RESISTENZA A CORROSIONE RESISTENZA A FATICA

2 La storia recente L azienda nasce nel 2007 come fornitore unico di trattamenti termici per l azienda CAPI Group con sede a Calliano. Nel corso degli anni l azienda decide di svilupparsi e di creare un polo di riferimento per il trattamento termico nel Trentino. 2008: si decide di puntare sui processi di nitrurazione. Viene avviato il progetto di sviluppo di un processo innovativo di nitrurazione catalitica 2012 l azienda si sposta in una nuova sede a Rovereto dove viene installato il primo impianto prototipo di nitrurazione catalitica. 2015: installazione secondo impianto nitrurazione catalitica e NITRICAT

3 L azienda L azienda è costituita da due reparti produttivi. Reparto Tempra Induzione Parco macchine tempra induzione a media frequenz. Reparto Nitrurazione Gassosa Forni a pozzo: Dimensioni utili impianto delle camera Ø=1.80 e H=2.70mt La produzione è affiancato da un laboratorio attrezzato per il collaudo e l assistenza metallurgica. Colmegna Nord è un azienda che opera nel rispetto della certificazione ISO 9001:2008

4 Colmegna Nord - Mercato Colmegna Nord opera nel mercato della meccanica industriale come fornitore di servizi per il trattamento termico: Tempra induzione Nitrurazione gassosa catalitica Nitrurazione catalitica post-ossidata I principale clienti sono costituiti da aziende del campo della meccanica, operanti in differenti settori di mercato, dalla meccanica di precisione alle industrie siderurgiche. I partners dei nostri clienti sfruttano i vantaggi dei nuovi processi di nitrurazione catalitica acquisendo nuove e importanti commesse con aziende internazionali, quali Comer, Dana, Bonfiglioli, Mecalac, Caterpillar, etc.

5 Colmegna Nord - I punti cardine del progetto SERVIZI: La mission di Colmegna Nord è quella di espandere i servizi offerti al cliente attraverso l ampliamento del nuovo reparto produttivo legato all introduzione della nuova tecnologia di nitrurazione catalitica. LEADERSHIP: Lo scopo degli investimenti è quello di portare l azienda Colmegna Nord in una posizione di leadership per il mercato regionale ed inserirsi nel mercato nazionale ed internazionale come azienda all avanguardia nel campo dei trattamenti termici, con particolare attenzione alla nitrurazione. RICERCA: L'azienda si propone il continuo sviluppo dei propri processi, promuovendo la ricerca al fine di ottimizzare i processi, così da offrire sul mercato un prodotto di elevata qualità ed interesse tecnologico.

6 Processo nitrurazione gassosa La nitrurazione gassosa è un trattamento termochimico d indurimento per mezzo del quale l azoto atomico viene introdotto superficialmente in una lega ferrosa solida. Viene eseguita a temperature comprese tra i 490 C e i 580 C. Le principali proprietà meccaniche che derivano dal trattamento sono: Incremento della durezza superficiale Resistenza a carichi elevati Resistenza ad usura Resistenza a fatica

7 Aspetti generali della nitrurazione gassosa La tecnica della nitrurazione offre notevoli vantaggi rispetto ad altri trattamenti superficiali: 1. Temperature comprese nel campo di 490 C 580 C 2. Durezze superficiali nell ordine di HV 3. Deformazioni sui pezzi azzerate Ma anche diversi svantaggi: 1. Tempi di trattamento molto lunghi: ore 2. Conversione dell NH3 ridotta 3. Limite di profondità a mm 4. Quantità notevoli di NH3 non reagita, da trattare prima dell emissione in atmosfera 5. Costi energetici sostenuti

8 Scopo del progetto di ricerca di nitrurazione catalitica NitriCat Come migliorare le prestazioni energetiche dell impianto e ridurre i tempi di trattamento? Lo scopo del progetto è quello di ottenere un prodotto con caratteristiche prestazionali e di qualità assolutamente superiori alla media di mercato in termini di: Migliore qualità microstrutturale dello strato nitrurato; Maggiore profondità di indurimento; Minori distorsioni post-trattamento; Tempi di consegna ridotti

9 Il processo catalitico NitriCat Le reazioni base del processo di nitrurazione catalitica si possono sintetizzare nei seguenti aspetti: Sostituzione di prodotti stabili (idrogeno e azoto) con prodotti metastabili (azoto e idrogeno radicalici, ioni, ioni radicali) Inserimento di un supporto catalitico di metalli nobili Modifica del meccanismo che porta alla formazione dello strato nitrurato sul metallo DISSOCIAZIONE TERMICA Dissociazione dell ammoniaca all interno del forno e sulla superficie del pezzo DISSOCIAZIONE CATALITICA Grafico C/%diss Dissociazione dell ammoniaca anticipata nel catalizzatore dalla presenza di metalli nobili

10 Cinetica di processo NITRURAZIONE STANDARD NITRURAZIONE CATALITICA Rapida formazione di uno strato di nitruro ad elevato contenuto di azoto che porta alla formazione di azoto molecolare con conseguente aumento dello strato poroso di coltre bianca. Diffusione in soluzione solida. Raggiunta la saturazione la reazione procede con la formazione dei nitruri con tenore d'azoto crescente così come da diagramma di stato. Profondità di diffusione dell azoto notevoli, strati superficiali di nitruro γ e riduzione di nitruro poroso che verrà a formarsi solo per tempi di trattamento lunghi. Substrato Fe(α) Substrato Fe(α)

11 Nitrurazione gassosa catalitica post-ossidata Nitricat NOX Micrografia ottica - Reagente Nital 3% Ingrandimento 1000X - Strato NITRICAT-NOX su acciaio 20MnCr5 Particolare di un provino in 42CrMo4 nitrurato e post-ossidato

12 Il processo Nitricat Diminuire la barriera potenziale energetica dei legami dell NH3 Accelerare la cinetica di reazione Ottenere un grado di dissociazione dell ammoniaca più alto a parità di T di processo Lavorare a flussi di gas ridotti anche fino al 50% per un normale ciclo Rendere selettiva la reazione tra Fe e NH3, formando maggiormente nitruri γ anziché nitruri ε Diminuire i tempi di trattamento e quindi in consumi energetici generali del processo Ottenere un controllo molto preciso dell atmosfera nitrurante e quindi della reazione

13 Durezza superficiale La durezza superficiale ottenuta dopo trattamento dipende prevalentemente dalle caratteristiche del materiale base (composizione chimica, trattamenti preliminari). Grazie al processo NitriCat è possibile esaltare le caratteristiche del materiale base conferendo al pezzo una durezza ottimizzata per le richieste a disegno.

14 Grafico rappresentativo di caratterizzazione di un catalizzatore RANGE CATALIZZATORE RANGE NITR. Range di lavoro C Temp. Ottimale C Stabilità dei valori in ampio range di flussi

15 Deformazione? No grazie. Il trattamento NitriCat è stato sviluppato al fine di ridurre al minimo il rischio di deformazioni nel rispetto delle tolleranze dimensionali anche più ristrettive. L incremento dimensionale su tutte le superfici del componente trattato è limitato allo spessore dello strato trasformato durante il processo, e compreso nell intorno dei mm sui piani e dei mm sui diametri. Per ridurre il rischio di deformazioni incontrollabili e non prevedibili, il processo NitriCat ed il processo NitriCat-NOX permettono di utilizzare temperature e tempi di trattamento ridotti rispetto ai trattamenti tradizionali, fattori che aiutano a ridurre il rischio su particolari di geometria complessa.

16 Resistenza a fatica Le prove eseguite su differenti materiali mostrano incrementi del limite di fatica tra 60-70%. Ciò è di grande interesse per tutte le applicazioni meccaniche che prevedono sollecitazione ciclica sia di tipo hertziano che di puro strisciamento. La maggior parte dei cedimenti in esercizio deriva infatti da fenomeni di fatica, tra i quali può anche essere annoverata l usura. Lo strato di indurimento generato dal processo NitriCat e NitriCat-NOX permette di ottenere sul pezzo finito uno stato tensionale superficiale di precompressione particolarmente adatto a contrastare i fenomeni di fatica.

17 Resistenza ad usura Il trattamento di nitrurazione tradizionale è ben conosciuto per le sue proprietà antifrizione e di resistenza ad usura. Il processo NitriCat-NOX nello specifico, grazie alla presenza dello strato di ossido a spessore e morfologia controllata, migliora ulteriormente tali caratteristiche. La presenza dell ossido migliora il coefficiente di usura, in particolare in regime tribo-ossidativo, mentre la morfologia porosa aiuta i fenomeni di micro-lubrificazione durante il contatto. Test di laboratorio dimostrano infatti come le particelle di olio protettivo rimangano intrappolate nelle porosità dello strato superficiale svolgendo un effetto cuscinetto lubrificante durante l accoppiamento.

18 Resistenza ad usura Generalmente sugli acciai l applicazione del trattamento NitriCat-NOX permette una riduzione di almeno un ordine di grandezza del tasso di usura rispetto al materiale non trattato, od ai semplici trattamenti di protezione superficiale come brunitura o fosfatazione.

19 Coefficiente di attrito Il trattamento NitriCat-NOX possiede ottime proprietà tribologiche, dovute principalmente sia allo strato dei composti che allo strato di ossido sovrastante. Misure del coefficiente di attrito mostrano valori intorno lo in accoppiamenti acciaio-acciaio. Confronto coefficiente di attrito misurato con prova di usura pin-on-disc

20 Applicazioni - Particolare prototipo La figura sottostante evidenzia le differenze estetiche tra un particolare trattato con nitrurazione catalitica NitriCat (sinistra) e nitrurazione gassosa (destra) VANTAGGI - Aspetto estetico - Coltre bianca contenuta entro 6micron e totalmente compatta - Ciclo di trattamento dimezzato

21 Nitrurazione gassosa catalitica NitriCat Vantaggi tecnici Strato nitrurato di maggiore qualità metallurgica Atmosfera ad alta concentrazione di specie attive utili al processo Possibilità di avere strati specifici (riduzione cb porosa o cb nulla) Riduzione di consumo di gas e minori emissioni atmosferiche Vantaggi cliente Riduzione dei tempi di processo Minore lead time Riduzione delle deformazioni (temperature di nitrurazione più basse)

22 Nitrurazione gassosa catalitica post-ossidata Nitricat-NOX Il trattamento NitriCat-NOX è la combinazione dell innovativo processo di nitrurazione gassosa NitriCat e di un avanzato processo di post-ossidazione in atmosfera gassosa controllata. Il controllo accurato di ogni fase del trattamento permette di gestire specifiche richieste del cliente, agendo direttamente sulle proprietà metallurgiche dello strato funzionale in relazione alle caratteristiche del componente o del materiale. Il trattamento NitriCat-NOX è particolarmente indicato per applicazioni nelle quali è richiesta resistenza a corrosione in particolari condizioni atmosferiche, ambienti industriali o marini unitamente ad un incremento delle proprietà meccaniche superificali quali la durezza, la resistenza a fatica e ad usura.

23 Nitrurazione gassosa catalitica post-ossidata Nitricat NOX Nelle fasi del processo Nitricat-NOX lo strato nitrutato è visto come substrato per il successivo processo di ossidazione. La formazione e la morfologia dello strato di ossido sono infatti influenzati dalla porosità e dalla natura dello strato dei composti.

24 Struttura multi strato Lo strato di diffusione: garantisce l incremento delle proprietà meccaniche di durezza e resistenza a fatica fungendo da substrato di supporto per i successivi strati. Il suo spessore varia tra 0.10mm a 0.70mm. Strato dei composti: determina le proprietà di resistenza ad usura ed abrasione, oltre che contribuisce alla resistenza a corrosione. L ottimizzazione dello strato dei composti grazie al controllo del processo NitriCat-NOX, permette di ottenere le caratteristiche richieste in funzione del materiale impiegato. Strato di ossido: costituito da uno strato uniforme di Magnetite (Fe3O4), un ossido di ferro particolarmente stabile chimicamente. La magnetite formata durante il processo NitriCat-NOX possiede un potenziale di pitting elettrochimico addirittura superiore a quello degli acciai inossidabili austenitici.

25 Elevata adesione dello strato di ossido Il processo NitriCat-NOX è caratterizzato da una elevata adesione dello strato funzionale (coltre bianca + strato ossido) al substrato sottostante. Diversamente dai processi elettrolitici, dai rivestimenti ad immersione a caldo e dai processi di deposizione PVD o CVD, nei quali lo strato funzionale è creato con un processo di ancoraggio meccanico al substrato o con una reazione di diffusione di modesta entità. Nel processo NitriCat-NOX lo strato funzionale accresce direttamente dal materiale base come reazione di trasformazione della superficie del pezzo (contenente ferro ed elementi alliganti) e le specie chimiche dell atmosfera di processo.

26 Post impregnazione, una marcia in più Una caratteristica dello strato di magnetite generato dal trattamento NITRICAT-NOX è la sua intrinseca porosità, che lo rende particolarmente adatto alla post-impregnazione che ne eleva ulteriormente le caratteristiche di resistenza a corrosione. Questo stadio viene eseguito per deposizione (a spruzzo o per immersione) di specifici prodotti a base solvente contenenti agenti inibitori di corrosione che, penetrando all interno della porosità superficiale, sigillano lo strato di ossido offrendo una ulteriore barriera all attacco degli agenti esterni.

27 Resistenza a corrosione I dati di resistenza in nebbia salina condotti su differenti tipi di materiali trattati mediante il processo NITRICAT-NOX mostrano, nella maggior parte delle condizioni, performance superiori. I materiali testati sono quelli più comuni tra gli acciai da costruzione (C45, 20MnCr5, 42CrMo4, 2311) e le ghise (GJS-600).

28 Ecosostenibilità Il tema dell impatto ambientale sta diventando sempre più importante nello sviluppo dei processi industriali, in particolare sui risvolti che i prodotti di lavorazione hanno sulla salute dell uomo e dell ambiente. Contrariamente ai processi in bagni di sale fuso o a quelli di elettrodeposizione nei quali sono presenti sostanze altamente nocive, il processo Nitricat NitriCat-NOX non producono sostanze nocive per l uomo e l ambiente. I gas utilizzati durante il processo vengono opportunamente convertiti in specie chimiche inerti (idrogeno, azoto, acqua) sia durante il processo stesso che prima dell immissione in atmosfera non producendo quindi scarti, costosi e delicati da smaltire.

29 Immagini rappresentative NitriCat

30 Immagini rappresentative NitriCat NOX Minuteria geometria complessa Cilindri oleodinamici di comando

31 Immagini rappresentative NitriCat NOX Componenti armi NitriCat NOX vs Nitrurazione gassosa concorrente

32 Immagini rappresentative NitriCat NOX

33 Immagini rappresentative NitriCat NOX Alberi di trasmissione (h=2500mm, peso 2200kg)

34 Immagini rappresentative Dadi da nitrurare con trattamento NitriCat (peso 2000kg)