LA NITRURAZIONE. (versione gennaio 2006)

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1 LA NITRURAZIONE (versione gennaio 2006) Raccolta di appunti ad esclusivo uso interno ITIS VARESE - specializzazione meccanici. La nitrurazione è un processo che consente la formazione di nitruri durissimi sulla superficie degli acciai allo stato bonificato, conferendo ad essi straordinarie proprietà di resistenza all'attrito e all'usura. Il trattamento termochimico di nitrurazione più comune è quello che si effettua in atmosfera gassosa. E un trattamento termochimico con diffusione di azoto in ambiente di ammoniaca parzialmente dissociata alla temperatura di circa 500 C. L azoto in tali condizioni reagisce con l acciaio diffondendo in esso, formando, dopo un conveniente tempo di permanenza (anche 50 ore), uno strato superficiale di qualche decimo di millimetro. La nitrurazione può anche essere effettuata immergendo i pezzi per 2 o 3 ore in opportuni bagni di sali mantenuti alla temperatura di circa 550 C (ad es. per gli acciai rapidi) (processo di nitrurazione morbida). La nitrurazione ionica: processo di nitrurazione con bombardamento di ioni che utilizza la scarica luminescente di una miscela gassosa, ad una pressione minore di quella atmosferica in cui il pezzo di acciaio costituisce il catodo. (nitrurazione con plasma) NITRURAZIONE GASSOSA L'azoto attivo che si diffonde nell'acciaio è fornito dalla dissociazione dell'ammoniaca che avviene ad una temperatura di circa 500 C: 2NH 3 2N + 3H 2 Solo una parte dell'ammoniaca si dissocia: la dissociazione dipende dalla temperatura. Se l'azoto nascente (forma attiva), non diffonde nell'acciaio, tende a trasformarsi in azoto molecolare N 2 (forma inattiva) che non può essere assorbito dai pezzi d acciaio. L azoto molecolare è quasi insolubile nel ferro, come risulta dal diagramma Fe N. Per cui è necessario rinnovare di continuo l atmosfera con un continuo flusso di ammoniaca affinché la reazione continui con la produzione di altro azoto allo stato atomico. Operando in un opportuno ambiente di ammoniaca dissociata si possono ottenere le fasi intermedie che compaiono nel diagramma Fe N. L'azoto forma con il ferro azoturi durissimi di natura diversa secondo la composizione dell'acciaio e soprattutto in funzione della temperatura di trattamento e della % di Pagina 1 di 5

2 azoto diffusa. L azoto atomico assorbito dal pezzo dapprima porta alla formazione dell azoturo Fe 2 N e successivamente, diffondendo, forma Fe 4 N e altri composti. In figura è riportato il diagramma Fe N L eutettoide (per N = 2,35%), formato da nitruri γ e ferrite è conosciuto col nome di Braunite. Ha l aspetto di una perlite molto fine ed è eccezionalmente fragile. Tutti i nitruri di ferro sono molto fragili. Il nitruro δ è più fragile di tutti, perciò il ciclo di nitrurazione dovrà essere condotto in modo da evitare la sua formazione. Pertanto, per evitare fragilità non si può operare a temperatura superiore ai 580 C (corrispondente alla formazione dell'eutettoide Braunite) e non possono essere usati acciai dolci al solo carbonio. Per ottenere la massima durezza superficiale e ottima resistenza all'usura si devono usare acciai di composizione appositamente studiata per la nitrurazione. La decarburazione superficiale favorisce (insieme ad una bassa % di C, ad un basso grado di dissociazione e ad una bassa temperatura) la formazione della coltre bianca. Come conseguenza immediata della decarburazione è la diminuzione della precipitazione dei carburi e carbonitruri che contribuiscono ad evitare l ingrossamento del grano austenitici. Si verifica quindi nelle zone dell interfaccia dei grani, una rapida saturazione in azoto con formazione di grossi nitruri aghiformi del tipo ε (Fe 2-3 N) e γ (Fe 4 N). La coltre bianca è formata da nitruri ε e γ e da soluzione solida Fe N. Grado di dissociazione. È il rapporto tra ammoniaca dissociata e ammoniaca aggiunta. Esso varia tra il 15% e il 35% ed è molto importante, ai fini della velocità di diffusione e soprattutto al contenimento dello spessore della coltre bianca, che si può formare anche su pezzi esenti da decarburazione. La velocità di diffusione è massima con un grado di dissociazione di circa il 30%. Temperatura. Compresa tra 500 e 580 C. Temperature basse (<500 ) favoriscono la formazione della coltre bianca e l'ottenimento di durezze superficiali elevate, Pagina 2 di 5

3 mentre le temperature più elevate aumentano la velocità di diffusione, riducono la durezza superficiale, ma riducono anche la formazione di coltre bianca. La temperatura migliore è sui 520 C e la durata dell operazione è notevole, mediamente 50 ore. La coltre bianca, il cui spessore massimo ammissibile secondo UNI 5478 è di 0,03 mm, può essere eliminata dopo nitrurazione anche mediante un processo chimico: immersione in soluzione alcalina che rende friabile lo strato e quindi facilmente asportabile con una leggera sabbiatura dei pezzi. Le superfici da proteggere dalla nitrurazione possono essere ramate, nichelate, argentate o verniciate con apposite vernici. I pezzi dopo essere stati sgrassati con vapori di trielina o sabbiati leggermente, sono introdotti nel forno nel quale si fa affluire ammoniaca anidra per effettuare il lavaggio (eliminazione dell'aria presente) e tale operazione dovrà essere eseguita a temperature in ogni caso inferiori a 150 C per evitare la formazione di miscele esplosive. I TRATTAMENTI IN PLASMA Il plasma è stato definito come il quarto stato della materia, dopo il solido, il liquido, il gassoso. Per ognuno dei quattro stati si applicano modelli fisici diversi. In determinate condizioni di temperatura ed entro larghi limiti di pressione, i solidi hanno forma esterna e peso definiti, i liquidi hanno peso e volume definiti ma forma esterna dipendente dal contenitore; i gas hanno peso definito ma volume dipendente dalla pressione; per la materia in stato di plasma si può dire che la somma di peso ed energia è costante ma che nemmeno il volume può essere riferito direttamente alla pressione, e inoltre, lo stato atomico e molecolare, che ha aspetti di costanza negli altri tre stati, presenta un estrema variabilità. Il plasma si realizza quando l'elevata temperatura, la bassissima pressione e la presenza di sollecitazioni elettromagnetiche annullano i legami fra le particelle elementari, spezzano le molecole, ionizzano gli atomi disperdendo la materia in elettroni liberi, nuclei ionizzati, fenomeni energetici intensi. Le differenze di potenziale elettrico provocano migrazioni velocissime di particelle che vengono scagliate violentemente su superfici metalliche, combinandosi con gli atomi dello strato esterno e dando origine a nuove sostanze, che a temperature relativamente elevate diffondono verso l'interno. Si creano così rapidamente strati superficiali con caratteristiche di durezza, resistenza all'attrito, tenacità, inalterabilità chimica, molto diverse sia da quelle del metallo di base sia da quelle delle sostanze che lo hanno modificato. Pagina 3 di 5

4 La nitrurazione ionica di pezzi d acciaio avviene collegandoli elettricamente al polo negativo di un generatore di corrente continua, in un contenitore sotto vuoto in cui viene introdotta ammoniaca. I pezzi da nitrurare agiscono da catodo; le pareti del forno agiscono da anodo. Il gas per la generazione del plasma è costituito da una miscela di idrogeno ed azoto con eventuali componenti minoritari (idrocarburi, perossido di azoto, anidride solforosa) Aumentando la differenza di potenziale tra i pezzi e le pareti del contenitore, si ottiene una scarica luminescente stabile, che avvolge uniformemente tutte le superfici dei pezzi e penetra per una certa profondità, anche nei fori. Gli ioni del plasma con carica positiva vengono accelerati dal campo elettrico, ed urtano con violenza le superfici (bombardamento ionico). L energia d urto genera calore (i pezzi si riscaldano alla corretta temperatura) e in energia di scambio per l emissione di elettroni ed atomi (Fe, C, O, ecc.) dalla superficie di impatto. Gli atomi di Fe liberati formano un composto con l azoto (FeN) che precipita sulla superficie dei pezzi e vi si ancora. Il nitruro di ferro così ottenuto evolve in altre fasi (ε, γ, a) liberando atomi di azoto che in parte diffondono all interno dei pezzi indurendoli. ALTRI TRATTAMENTI TERMICI SPECIALI Non hanno più sapore di novità i trattamenti denominati CVD (Chemical Vapour Deposition) e PVD (Physical Vapour Deposition). Il loro campo di applicazione è ancora ristretto ma tende ad allargarsi progressivamente. In effetti, non si tratta di trattamenti termici propriamente detti ma di rivestimenti superficiali antiusura di carburi e nitruri durissimi eseguiti a determinate temperature, molto elevate per il CVD (che ha caratteristiche analoghe a quelle della cementazione), di medio livello (intorno ai 500 C) per il PVD (che più correttamente può essere considerato come rivestimento superficiale). Gli impianti sono costosi ma le applicazioni ai taglienti degli utensili per asportazione di truciolo si sono rapidamente generalizzate perché la loro durata viene consistentemente aumentata. Il rivestimento CVD (deposizione chimica mediante vapore) dei metalli duri viene effettuato attraverso le reazioni chimiche di diversi gas; nel caso di rivestimento con carburo di titanio I gas sono: idrogeno, cloruro di titanio e metano. Gli inserti vengono riscaldati a circa 1000 C. Il rivestimento con ossido di alluminio viene effettuato in modo analogo. Il rivestimento con nitruro di titanio utilizza i gas: cloruro di alluminio, azoto. Il processo CVD è particolarmente adatto per applicare più strati, poiché permette di variare in modo relativamente semplice le proporzioni dei vari gas. Con lo stesso equipaggiamento, infatti, possono essere eseguiti differenti tipi di rivestimento. Pagina 4 di 5

5 Il metodo PVD (deposizione fisica mediante vapore) meno frequentemente usato per il metallo duro, è largamente impiegato per il rivestimento dell acciaio rapido. Le temperature sono circa la metà di quelle del processo CVD. Il processo consiste nella trasposizione del materiale di rivestimento da una sorgente al substrato mediante vaporizzazione o polverizzazione ionica. Diverse sono le varianti di detto processo. Ad esempio il titanio viene ionizzato mediante un fascio elettronico focalizzato, usato come fonte energetica, per formare una corrente di plasma, che verrà trasferita sull utensile assieme all azoto. Pagina 5 di 5