Nitrurazione e pallinatura, un binomio per un acciaio da competizione

attrezzature Irena Pokorska *, Aleksander Nakonieczny *, Cristiano Fragassa ** * Istituto di Meccanica di Precisione di Varsavia (Polonia) ** Dipartimento Ingegneria Meccanica di Bologna Nitrurazione e pallinatura, un binomio per un acciaio da competizione La richiesta di materiali con prestazioni sempre migliori spinge il mondo della fonderia e dei trattamenti verso una continua innovazione dei processi. Le soluzioni più di successo sono quelle che permettono di produrre materiali resistenti con strati superficiali duri e levigati. Ma ormai soltanto la corretta combinazione delle più avanzate tecniche di metallurgia e di trattamento superficiale fa progredire verso ulteriori miglioramenti. 46 L a richiesta incessante di materiali con caratteristiche prestazionali sempre più perfezionate spinge il mondo della fonderia e dei trattamenti verso una innovazione continua dei processi. Le soluzioni che hanno dimostrato più successo sono quelle tecnologie che permettono di produrre materiali resistenti con strati superficiali duri e levigati. Ma ormai siamo arrivati ad un punto di perfezionamento tale, che solo attraverso la corretta combinazione delle più avanzate tecniche di metallurgia e di trattamento superficiale si potrà progredire verso ulteriori miglioramenti. In particolare, sono di estremo interesse quelle tecniche che, combinate insieme con un occhio sempre attento all economia dell intero processo, consentano di modificare in modo semplice ed efficiente la struttura delle leghe al fine di controllare lo stato di tensione residua ed eliminare i difetti come, ad esempio, la porosità. Lo scopo di questo progetto è quello di

verificare la possibilità di indurire, al di là dei limiti tecnologici attuali, strati di acciaio nitrurato (trattamento termochimico) attraverso una deformazione superficiale aggiuntiva, ottenuta per pallinatura (trattamento meccanico). Acciai speciali così ottenuti stanno entrando progressivamente nei settori più avanzati dell industria e dell economia con applicazioni (p.es. accoppiamento di ruote dentate in macchine da competizione) dove la maggiore resistenza a usura e a fatica permettono di perdonare i costi più elevati della loro produzione; e si affacciano timidamente anche negli ingressi delle fonderie con stampi ed utensili dalle prestazioni superiori. Il trattamento termochimico di nitrurazione La nitrurazione è un processo industriale di indurimento superficiale dell acciaio. Il procedimento consiste nel portare il metallo a una temperatura abbastanza elevata e per un tempo di trattamento adeguato a introdurre azoto atomico nella lega. L azoto viene assorbito dalla ferrite superficiale del metallo e forma nitruri, prevalentemente Fe4N, molto duri e che distorcono il reticolo cristallino. Il meccanismo di rafforzamento che quindi interviene è quello di Orowan. I pezzi da trattare sono inseriti in una cassetta precedentemente riempita con polvere di nitrurazione ed attivatore. Il coperchio viene sigillato con isolante. A circa 550 C si forma uno strato superficiale estremamente duro (fino a 1000 HV) che ricopre l acciaio temprato oppure lo strato superficiale cementato. L attivatore migliora le condizioni del processo. La durata del processo è di almeno 10 ore a 550 C. Lo spessore dello strato indurito è minore di quello ottenuto per carbocementazione, ma in compenso la sua durezza è molto maggiore e rimane stabile fino a temperature di 600-700 C. Non è possibile utilizzare l azoto molecolare, eccessivamente ingombrante, per cui si ricava l azoto atomico dalla dissociazione termica dell ammoniaca o dalla diffusione da bagni di sale. Grazie alla nitrurazione si ottengono Fig. 1 Esempio di microstruttura per un acciaio nitrurato con la presenza dello strato di compositi (in bianco), ossia una miscela di nitruri di tipo? e? e di uno strato di diffusione. acciai di qualità superiore che presentano: durezza superficiale e resistenza all usura; stabilità al rinvenimento e quindi durezza a caldo; resistenza alla fatica e agli intagli; resistenza alla corrosione; stabilità dimensionale. Inoltre, i pezzi possono essere sottoposti al trattamento completamente finiti perché il processo, avvenendo a bassa temperatura, non provoca tensioni e deformazioni. È applicabile a tutti i tipi di acciaio e di ghisa, ad es. pezzi in acciaio per lavorazione a caldo, stampi per iniezione, pezzi soggetti ad usura e componenti di macchina. Tuttavia, considerato il costo elevato del trattamento, di solito si nitrurano solo acciai dove il risultato sia tale da compensare la spesa: quindi quelli contenenti cromo, molibdeno e alluminio (< 1%), che formano 47

attrezzature Fig. 2 Morfologia degli strati nitrurati prodotti a 530 C per 6 ore di trattamento con (a) e senza (b) processo di pallinatura. nitruri più efficaci di quelli di ferro. Si preferiscono inoltre acciai bonificati perché è necessaria tenacità al cuore del pezzo e perché la struttura fine creata con la bonifica facilita la diffusione dell azoto. Ne sono esempi il 41CrAlMo7 e il 42CrMo4. Tra gli utilizzi più frequenti si citano: calibri, riscontri, ingranaggeria di precisione, fasce elastiche, alberi a camme e a gomiti, utensili di acciaio rapido a profilo costante (creatori, maschi, pettini, punte), acciai inossidabili o per valvole austenitici e, per finire, alcuni acciai per stampi per la nitrurazione in bagno di sale. Allo stesso tempo, date le particolari trasformazioni fisico-chimiche che accompagnano questo trattamento, spesso si sconsiglia di nitrurare pezzi sottoposti a elevata compressione, quali appunto gli stampi. Il trattamento meccanico di pallinatura La deformazione dinamica di una superficie attraverso la pallinatura controllata è una tecnologia ampiamente utilizzata nella pratica industriale al fine di migliorare le proprietà meccaniche dei componenti meccanici. Pallini sferici di acciaio o altro materiale sono proiettati ad alta velocità contro la superfici da trattare attraverso un dispositivo a pistola alimentato da un circuito ad aria compressa. La deformazione locale del materiale nel punto di contatto del pallino sferico con la superficie trattata causa la generazione di tensioni residue di compressione così come modifiche nella forma e nella dimensione dei grani di materiale. In dipendenza dal tipo di materiale trattato e dai parametri di pallinatura (es. peso e dimensioni del pallino, pressione sparo...) è possibile ottenere stati tensionali differenti, caratterizzati dal loro segno come dal valore della massima tensione, della profondità di penetrazione e così via. Le condizioni di pallinata devono essere scelte in modo da non danneggiare le superfici trattate. Nel caso di materiali con elevata durezza, come gli strati nitrurati, il processo di indurimento meccanico non è ben conosciuto ed appare per le dinamiche coinvolte piuttosto complicato. Tuttavia, sempre più applicazioni nell industria apprezzerebbero superfici di eccezionale durezza, favorendo tutti tentativi di estendere l applicazione di questa tecnologia, contando di ripete il successo che si è avuto in cementazione. I componenti cementati, infatti, possono essere sottoposti a pallinatura con la conseguenza che favorisce la trasformazione dell austenite residua in mantensite aumentando la durezza. Ma attraverso la cementazione si può arrivare ad una durezza di 700-900 HV su spessori di 0,05-0,15 mm e l incremento offerto dalla pallinatura non compensa il grande vantaggio, in termini di durezza, messo in campo dalla nitrurazione con picchi di 1100 HV a fronte di uno spessore dimezzato nel materiale alterato. Resta quindi evidente l interesse di accoppiare la pallinatura alla nitrurazione. La scelta dell acciaio Si è così condotto uno studio comparativo su strati superficiali realizzati attraverso la combinazione della nitrurazione e della pallinatura controllata. Sono state esaminate le proprietà meccaniche come la durezza, le tensioni residue, la resistenza a fatica. Le prove sono state effettuate su campioni di geometria prismatica con dimensioni di 136 x 10 x 4 mm realizzati in acciaio inox (AISI 5140). Il materiale è presenta una 48

Fig. 3 Durezza rilevata dopo il doppio trattamento nitrurazione e pallinatura. composizione chimica: 0.36-0.44% C, 0.8-1.1% di Cr, 0.5-0.8 % Mn, max. 0.035% P, 0.035% S, 0.17-0.37% Si, max 0.3%Ni, max. 0.3% Cu. ed è caratterizzato da una durezza di 25 HRC. La nitrurazione dell acciaio I provini sono stati suddivisi in due famiglie e sottoposti ad un processo di nitrurazione con controllo del gas mantenuto ad una stessa temperatura di 530 C, ma prolungato per due diversi tempi di trattamento. I tempi scelti sono stati scelti di 1,5 e 6 ore in modo da ottenere, per ciascuna famiglia, uno spessore dello strato superficiale nitrurato che presentasse differenze tecnologicamente significative. Da un esame microstrutturale, i provini presentavano una microstruttura complessa con la presenza di uno strato di composti (miscela di nitruri di tipo ε e γ 1 ) e di uno strato di diffusione (fi g.1 ). La profondità del trattamento è stata valutata attraverso una comparazione della durezza superficiale con quella del materiale vergine (criterio del 50 HV) e ha portato a stimare un spessore alterato di profondità compresa tra 120 e 240 µm. Tab. 1 Piano riepilogativo delle prove sperimentali Prova Nitrurazione Pallinatura Temperatura Tempo Pallino Pressione I 530 C 6 ore pallinatura assente II 530 C 6 ore Acciaio 3 atm III 530 C 6 ore WC 3 atm IV 530 C 1.5 ore pallinatura assente V 530 C 1.5 ore Acciaio 4 atm VI 530 C 1.5 ore Acciaio 3 atm La pallinatura dei provini Il trattamento di pallinatura è stata realizzata su un impianto a compressore sviluppato per l occasione presso l Istituto di Precisione Meccanica di Varsavia (www.imp.edu.pl). La pallinatura di superfici dure e di difficile deformabilità come gli strati nitrurati è un problema sostanzialmente nuovo che richiede lo sviluppo di un knowhow specifico, soprattutto per quanto riguarda la messa a punto dei parametri di pallinatura che risultano completamente differenti rispetto a quelli utilizzati nel trattamenti più convenzionali. Uno dei passaggi più critici dello studio è stato quindi quello di scegliere una combinazione per i parametri di pallinatura (tipo e dimensione della graniglia, la velocità e il tempo del processo) che apparisse in grado di garantire a priori la bontà dei risultati. 49

attrezzature Fig. 4 Rugosità superficiale. Il piano di prove sperimentali In particolare, si è scelto di procedere in forma comparata utilizzando due graniglia sferiche di stesso diametro, 0.6 mm, ma differenti per materiale (ossia peso specifico) e durezza: un acciaio da 700 HV e un carburo di tungsteno sinterizzato da 2100 HV. Inoltre si è prestata molta attenzione a condurre i trattamenti mantenendo basse le velocità di impatto, con pressione dell aria compresa tra i 3-4 atm, in modo da garantire la sostanziale integrità degli strati nitrurati più profondi. Il piano completo dei trattamenti eseguiti è riassunto nella tab. 1. L osservazione della superficie Le osservazioni di topografia superficiale sono state realizzate con un microscopio a scansione LEO 435VPi e indicano un livellamento locale delle irregolarità degli strati nitrurati, dovuti alla pallinatura. Come evidente dalle immagini (fi g. 2), i profili delle creste subiscono una fenomeno di erosione e livellamento con i detriti che tendono al riempimento parziale dei pori lasciati negli strati più esterni dalla nitrurazione: questo fenomeno potrebbe contribuire ad aumentare la resistenza alla corrosione delle superfici. La durezza superficiale Le misure di durezza sotto state condotte con un misuratore Zwick 3213 per carichi di riferimento di HV 0.5, HV 1, HV 5 e HV 10. In accordo con i risultati sperimentali (fi g.3 ), si può affermare che per tutte le combinazioni esaminate, il successivo trattamento di pallinatura ha comporta un aumento nella durezza dello strato superficiale. La massima durezza superficiale pari a 824 (rilevata alle condizioni di carico sul penetratore di HV0.5) è stata ottenuta con una nitrurazione a 530 C per 6 ore e una pallinatura con graniglia di carburo sinterizzato. Anche negli altri casi HV1, HV5 e HV10, i valori di durezza riscontrati, anche se leggermente più bassi, restano di indubbio interesse (pari rispettivamente a 628, 658 e 633). È opportuno notare come la durezza misurata sperimentalmente si è sempre dimostrata inversamente proporzionata al carico applicato sul penetratore. Questo indica che c è un effetto di rafforzamento degli strati superficiali sottili e questo costituisce un segnale indiretto che i parametri utilizzati nel processo di pallinatura sono azzeccati. La rugosità superficiale La rugosità superficiale è stata rilevata con l aiuto di un profilometro Hommel T20 che impiega una testa LV50 con distanza di misura di 5 mm. Quali parametri fondamentali per la misura sono stati utilizzati: la rugosità media R a, valutata come la distanza tra la linea media della superficie lavorata e quella di riferimento per il materiale non trattato; la rugosità locale R z, valutata come la variazione media di altezza tra picco e valle rilevata in 10 punti sul profilo prendendo come linea di riferimento la linea media della superficie lavorata. In tutti i casi analizzati (fi g.4 ) si osserva un incremento della rugosità superficiale con la variazione dei parametri R a e R z che risulta minima nel caso di 6 ore di nitrurazione e pallinatura realizzata con graniglia di acciaio (caso II). 50

Lo stato tensionale residuo La stima delle tensioni residue sulle superfici dei provini è stata realizzata utilizzando un sistema a diffrazione a raggi X, denominato PSF-3M e realizzato dalla Rigaku, che utilizza radiazioni di cromo e il metodo del sin 2 Ψ. Le tensioni sono state misurate in direzione longitudinale e trasversale ed hanno evidenziato, come era già noto, che la pallinatura aumenta la tensione residua di compressione negli strati superficiali (fig. 5). Il massimo incremento della tensione residua di compressione, misurata in direzione longitudinale, è stato osservato su provini pallinati con carburo sinterizzato (caso III). Il valore di compressione di 305 MPa garantito dalla nitrurazione è salito fino ai 469 MPa grazie alla successiva pallinatura. Per quanto riguarda la tensione di compressione residua in direzione trasversale, l incremento rilevato porta a valori superiori ai 1000 MPa, pari a 3-4 volte quelli di Fig. 5 Valori di tensione residua negli strati superficiali. partenza. Queste sovratensioni così elevate meritano ulteriori ricerche in grado di condurci ad una buona interpretazione del fenomeno. Proprietà tribologiche Le proprietà tribologiche fondamentali, come la determinazione dell usura superficiale oppure del coefficiente di attrito radente sono stati analizzate con una macchina Amsler a disco rotante (per alloggiare il provino) che è un sistema di in grado di valutare il fenomeno del attrito di strisciamento in movimenti rotanti. In particolare sono state utilizzate le condizioni di test che prevedevano: velocità rotazione disco = 200 g/m; forza di carico P = 25 dan; durata del test = 3 ore; lubricazione con olio Lux-10. Il dispositivo è stato utilizzato in combinazione con un microscopio con accuratezza di 0,0005 mm. Le misure di usura (fig. 6) mostrano un sostanziale degradarsi della resistenza superficiale in presenza di processi di nitrurazione più intensi. Questo effetto, associato all intensificarsi della durezza superficiale, potrebbe essere collegato al fatto che incrementando il tempo di nitrurazione, si riduce lo spessore della zona di nitrati ε, condizione che porta a una maggiore durezza superficiale ma, al tempo stesso, a una più elevata fragilità. Le microparticelle che si staccano dalla superficie fragile per erosione si comportano poi come abrasivi, intensificando i processi di usura e riducendone la resistenza. In particolare, si è osservato che il fenomeno dell usura di strati fortemente nitrurati (6 ore) si Tab. 2 Valori rilevati sperimentalmente Caso I II III IV V VI Nitrurazione [ C] 530 530 530 530 530 530 [ore] 6 6 6 1.5 1.5 1.5 Pallinatura pallini - Acciaio WC Acciaio Acciaio [atm] - 3 3 4 3 Tensione di compressione trasversale [MPa] 304,53 ± 14,29 1021,39 ± 53,86 1183,45 ± 24,04 310,79 ± 30,62 1068,89 ± 18,17 1075,85 ± 13,00 Coefficiente di attrito 0,1017 0,1085 0,1179 0,0958 0,1191 0,1128 51

attrezzature intensifica già dopo 1,5 ore di test, arrivando dopo 3 ore di prova a 9,61 µm. A paragone si consideri come lo strato nitrurato con un trattamento ridotto (1,5 ore), mostra un valore di usura di 4,13 µm dopo 3 ore, due volte più bassa. Indipendentemente dal grado di nitrurazione adottato, il successivo trattamento di pallinatura fornisce al materiale una migliore resistenza all usura passando, nel confronto più migliorativo, dai 9,8 µm (caso I) ai 3 µm (caso III) dopo 3 ore di prova. Oltre a valori complessivamente più ridotti, la pallinatura fornisce anche un andamento dell usura più stabile nel tempo, senza le marcate accelerazioni che possono osservarsi in assenza di tale trattamento (caso I) Sul fronte del coefficiente di attrito, i valori rilevati sono simili e compresi tra 0,096 e 0,119 (tab. 2). Conclusioni e sviluppi Le evidenze sperimentali hanno mostrato chiaramente come un trattamento di indurimento meccanico della superficie quale la pallinatura migliori le proprietà superficiali degli strati nitrurati. Attraverso l introduzione di tensioni residue di compressione proprie della pallinatura possono essere ottenuti diversi risultati quali: l aumento della durezza superficiale; l incremento della resistenza a usura; il miglioramento della resistenza alla corrosione. Fig. 6 Usura lineare degli strati superficiali come funzione del tempo di attrito. I migliori risultati sono stati ottenuti con pallini a bassa velocità per una pallinatura non troppo profonda (approssimativamente 3 µm) tale da evitare danni significativi allo strato nitrurato. Tutta la parte sperimentale è stata condotta attraverso un impianto artigianale di pallinatura con le finalità prevalenti di ricerca scientifica: manca ora uno studio sistematico per il trasferimento tecnologico delle conoscenze mediante, ad esempio, l individuazione dei parametri per il controllo ottimale della pallinatura Bibliografia nei differenti casi applicativi di interesse industriale. Per tale scopo si è individuata nella Peen Service (www.peenservice. it), una azienda con un innovativo reparto di ricerca e sviluppo specializzato nella pallinatura controllata, il partner ideale in grado di affiancare il nostro gruppo in un progetto ambizioso che porterà a proporre, in modo sistematico nelle applicazioni che ne trarrebbero vantaggio, il trattamento meccanico della pallinatura al trattamento termochimico della nitrurazione. [1] S. Djozic, Proceedings of the 6th International Conference on Shot Peening, 1996, San Francisco (USA), 56. [2] P. Hutmann, Proceedings of the 8th International Conference on Shot Peening, 2002, Garmisch-Partenkirchen (Germania), 3. [3] G.W. König, Proceedings of the 8th International Conference on Shot Peening, 2002, Garmisch-Partenkirchen (Germania), 13. [4] D.P. Townsend, NASA Tech Report 91-C-042,ASME, 6th IPTGC Society of Mech. 1992. [5] M. Guagliano, L. Vergani, Influenza della pallinatura sulla resistenza a fatica di elementi nitrurati, Trattamenti e Finiture, luglio 2006. [6] D. Croccolo, L. Cristofolini, M. Bandini, A. Freddi, Fatigue strength of shotpeened nitrided steel, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2002. 52