Cos'è la nitrurazione?

Base di nitrurazione

La nitrurazione è un processo di trattamento termico che diffonde azoto nella superficie di un metallo per creare una superficie cementata. L'aggiunta di azoto aumenta la durezza e la resistenza all'usura senza influire in modo significativo sulle proprietà metallurgiche del nucleo. Durante la nitrurazione, il metallo viene riscaldato a 500-550°C in un'atmosfera ricca di azoto. L'azoto si diffonde nella superficie fino a 0.5 mm di profondità e reagisce con elementi di lega come alluminio, vanadio e cromo per formare nitruri duri. Questi nitruri aumentano la durezza superficiale fino a 1300 HV, migliorando la resistenza all'usura e alla corrosione.

Scopi della nitrurazione

La nitrurazione viene utilizzata per migliorare le proprietà superficiali dei metalli per diversi scopi chiave:

Aumenta la durezza superficiale

Lo scopo principale della nitrurazione è aumentare la durezza superficiale dei metalli. L'azoto aggiunto reagisce con gli elementi leganti formando composti di nitruro duro. Questo strato di diffusione aumenta la durezza fino a 1300 HV, che migliora la resistenza all'usura e la capacità di carico.

Migliora la resistenza alla fatica

La profondità della carcassa temprata creata dalla nitrurazione migliora la resistenza alla fatica di componenti come ingranaggi e alberi. Le sollecitazioni di compressione formate nella custodia nitrurata aumentano la resistenza all'innesco e alla propagazione delle cricche.

Migliora la resistenza alla corrosione

La nitrurazione migliora la resistenza alla corrosione in due modi. Innanzitutto, i composti di nitruro sono molto stabili e inerti. In secondo luogo, la profondità dello strato creata dalla nitrurazione garantisce che il materiale del nucleo rimanga inalterato se lo strato superficiale viene consumato.

Distorsione minima

A differenza dei metodi di indurimento per tempra, la nitrurazione non richiede il raffreddamento rapido della parte. Di conseguenza, la nitrurazione causa pochissime distorsioni o sollecitazioni residue, rendendola adatta a componenti di alta precisione. Le variazioni dimensionali causate dalla nitrurazione sono trascurabili.

Tipi di nitrurazione

Esistono diversi metodi e varianti principali del processo di nitrurazione utilizzato nell'industria:

• Nitrurazione di gas– Nella nitrurazione gassosa, la fonte di azoto proviene dal gas di ammoniaca dissociato in azoto e idrogeno. Il gas di ammoniaca è meno costoso del gas di azoto puro. I componenti vengono riscaldati a 500-590°C in una storta sigillata con flusso controllato di ammoniaca.
• Nitrurazione al plasma- La nitrurazione al plasma utilizza la scarica al plasma generata da un alimentatore ad alta tensione per creare ioni di azoto attivati. Ciò consente una diffusione più rapida a temperature inferiori di 350-590°C. La nitrurazione al plasma offre un controllo preciso sulla profondità del bossolo.
• Nitrurazione a bagno di sale- Nella nitrurazione a bagno di sale, la fonte di azoto proviene dalla dissociazione di sali di cianuro come NaCN. Le parti vengono immerse nel bagno di sale di cianuro fuso mantenuto a 580-590°C. La nitrurazione in bagno di sale può raggiungere durezze molto elevate fino a 1500 HV.
• Nitrurazione a letto fluido- La nitrurazione a letto fluidizzato comporta la dissociazione del gas di ammoniaca in un letto di polvere di allumina fluidificata dal flusso di gas. Questo metodo fornisce un'eccellente uniformità della temperatura durante il trattamento.
• Altre varianti- Altre variazioni includono la nitrocarburazione che aggiunge carbonio per formare carbonitruri, post-ossidazione per formare strati di ossido nero e nitrurazione a bassa temperatura tra 350-380°C. Vengono utilizzati anche processi ibridi come la nitrocarburazione al plasma.

Materiali adatti alla nitrurazione

La nitrurazione può essere applicata a una gamma di leghe ferrose e non ferrose:

Acciai a basso tenore di carbonio

Gli acciai debolmente legati con carbonio inferiore allo 0.25% sono comunemente nitrurati per aumentare la durezza superficiale e la resistenza all'usura. Il basso contenuto di carbonio riduce la formazione di nitruri di ferro instabili. Esempi popolari includono acciai 1018, 4140 e 4340.

Acciai per utensili

Gli acciai per utensili inclusi H13, P20 e D2 sono ideali per la nitrurazione grazie alla loro elevata temprabilità e contenuto di lega. La nitrurazione aumenta la durezza, la resistenza e la durata degli utensili per applicazioni di lavoro a caldo o a freddo.

Acciai Inossidabili

Gli acciai inossidabili martensitici e indurenti per precipitazione come 410, 416, 420 e 17-4PH possono essere efficacemente nitrurati per migliorare la resistenza all'usura e alla corrosione. È possibile ottenere una durezza superficiale di 1000-1400 HV.

Leghe di alluminio

Alcune leghe di alluminio contenenti silicio e magnesio possono essere nitrurate attraverso un processo chiamato nitrocarburazione. Questo diffonde simultaneamente azoto e carbonio nella lega.

Leghe di titanio

Le leghe di titanio incluso Ti-6Al-4V possono essere nitrurate con metodi al plasma. Questo crea uno strato superficiale protettivo ad alta durezza senza compromettere la duttilità del nucleo e la tenacità alla frattura.

Altre leghe

Possono essere nitrurati anche altri materiali come le superleghe a base di nichel, gli acciai per utensili e le leghe di cobalto. Possono trarne vantaggio sia le leghe ferrose che non ferrose con aggiunte di lega sufficienti per stabilizzare i nitruri.

Attrezzature e Consumabili per Nitrurazione

I processi di nitrurazione utilizzano forni specializzati, forniture di gas e apparecchiature di monitoraggio della temperatura:

• Forni di nitrurazione
  • Forni a cassetta o ad armadio con storte a tenuta di gas e isolamento per nitrurazione a gas e al plasma fino a 1000°C (590°F).
  • Forni a bagno di sale fuso per nitrurazione a bagno di sale intorno a 1100°F (590°C).
  • Forni a letto fluido contenenti mezzi ceramici porosi per la nitrurazione a letto fluido.
• Gas di azoto
  • Azoto gassoso ad elevata purezza come fonte per la nitrurazione gassosa.
  • Gas di ammoniaca che si dissocia in azoto e idrogeno per la nitrurazione gassosa.
• Alimentatori
  • Alimentazione CC fino a 1000 V e corrente nominale superiore a 10,000 A per nitrurazione al plasma.
• Controllo della temperatura
  • Termocoppie per monitorare l'uniformità della temperatura del forno.
  • Pirometri per misurare la temperatura superficiale dei componenti.
• Materiali di consumo
  • Sali di cianuro per nitrurazione in bagno di sale.
  • Polvere di allumina per nitrurazione a letto fluido.
  • Olio di tempra, soluzioni detergenti, utensili, attrezzature, ecc.

Un'attrezzatura adeguata è essenziale per controllare l'atmosfera di nitrurazione, la temperatura e la durata per ottenere profondità e proprietà ripetibili del bossolo.

Processo di nitrurazione

I passaggi chiave in un tipico processo di nitrurazione sono:

1. Pulizia
   1. Rimuovere sporco, olio, grasso, ossidi e altri contaminanti dalla superficie del componente mediante sgrassaggio, pulizia alcalina o decapaggio acido.
2. Caricamento in corso
   1. Caricare con cura i componenti nei dispositivi o nei cestelli per evitare contaminazioni e garantire un'esposizione corretta.
3. Riscaldamento e tenuta
   1. Riscaldare a una velocità di 400-800°F/ora (220-440°C/ora) per raggiungere la temperatura di nitrurazione.
   2. Mantenere alla temperatura di nitrurazione per consentire ai pezzi di raggiungere l'equilibrio termico.
4. nitrurazione
   1. Esporre i pezzi in un ambiente ricco di azoto alla temperatura di nitrurazione per il tempo necessario per raggiungere la profondità del rivestimento.
   2. Il gas di ammoniaca si trasforma in azoto e idrogeno. Il plasma genera ioni di azoto. I sali di cianuro rilasciano azoto.
5. tempra
   1. Raffreddamento rapido come in olio per preservare la struttura nitrurata. Non richiesto per alcuni processi.
6. Scarico e pulizia
   1. Scaricare i pezzi e rimuovere eventuali residui di olio di tempra o sali mediante lavaggio.
   2. Applicare post-trattamento come levigatura o lucidatura.

È necessario un attento controllo del processo per ottenere la profondità del rivestimento desiderata, ridurre al minimo la distorsione e garantire la formazione della fase di nitruro.

Applicazioni industriali della nitrurazione

Alcuni usi industriali comuni della nitrurazione nei componenti meccanici includono:

Marce

Gli ingranaggi in acciaio legato nitrurato hanno una maggiore durezza superficiale e resistenza alla fatica. Utilizzato in ingranaggi di trasmissione, ingranaggi a camme, corone dentate, ecc.

Cuscinetti

La nitrurazione delle piste dei cuscinetti, degli elementi volventi e delle superfici dei cuscinetti migliora la resistenza all'usura e la durata sotto carico ciclico.

Albero a gomiti

La nitrurazione aumenta la resistenza alla fatica dei raccordi e dei perni dell'albero motore. Utilizzato nei motori automobilistici e marini.

Pistoni

I pistoni in alluminio pressofuso nitrurato aumentano la resistenza all'abrasione e all'usura adesiva contro le pareti del cilindro.

valvole

Migliore usura delle valvole di aspirazione e scarico dei motori a combustione interna con facce e steli delle valvole nitrurati.

utensili per il taglio

Gli utensili da taglio rivestiti in acciaio rapido e in metallo duro trattati con nitrurazione hanno velocità di rimozione del metallo e durata migliori.

Stampi e Stampi

Gli stampi e le matrici in acciaio per utensili nitrurato per fusione, forgiatura e stampaggio mostrano una maggiore durata e prestazioni.

altri usi

Comune in recipienti a pressione, alberi, cilindri, camme, dispositivi di fissaggio, attuatori e componenti oleodinamici.

L'aumento della durezza superficiale, della resistenza all'usura, della resistenza alla fatica e alla corrosione rendono la nitrurazione ideale per le parti meccaniche critiche.

Nitrurazione in gioielleria e accessori

Sebbene meno comune degli usi industriali, la nitrurazione ha alcune applicazioni di nicchia in gioielleria e accessori moda:

Miglioramento della finitura superficiale

La nitrurazione può fornire una finitura superficiale liscia e uniforme su componenti metallici di gioielleria come anelli, bracciali e casse di orologi. Ciò riduce la necessità di lucidatura secondaria.

Maggiore resistenza alla corrosione

Lo strato nitrurato migliora la resistenza alla corrosione per i gioielli esposti all'umidità come anelli, bracciali, catene e cinturini per orologi in metallo.

Rivestimenti decorativi neri

L'annerimento selettivo delle superfici incise mediante nitrurazione dell'acciaio inossidabile o del titanio può fornire motivi decorativi e accenti sui gioielli.

Superfici temprate

Migliore resistenza all'usura per articoli di gioielleria ad alto utilizzo come anelli da uomo e cinturini per orologi in metallo grazie all'indurimento della superficie.

Risparmi sui costi

In alcuni metalli, la nitrurazione può fornire vantaggi in termini di prestazioni rispetto alla placcatura o ai rivestimenti PVD a un costo inferiore.

Percezione del cliente

Alcuni marchi di lusso utilizzano la nitrurazione per i vantaggi percepiti della tecnologia e della finitura superficiale.

Sebbene non sia così diffuso come nelle industrie manifatturiere, la nitrurazione può fornire vantaggi funzionali ed estetici per applicazioni di gioielleria selezionate. È necessario un controllo adeguato per mantenere l'aspetto dei metalli per gioielli.

Confronto con altri processi di indurimento superficiale

La nitrurazione differisce da altri comuni processi di indurimento superficiale in diversi modi:

carburazione

La cementazione diffonde il carbonio anziché l'azoto nella superficie dell'acciaio. Crea un caso martensitico più duro ma meno stabile. La nitrurazione fornisce una migliore resistenza alla corrosione.

Nitrocarburazione

La nitrocarburazione aggiunge contemporaneamente azoto e carbonio. Il caso combinato di carbonitruro può offrire vantaggi rispetto a entrambi da soli.

Indurimento ad induzione

La tempra a induzione riscalda e tempra rapidamente la superficie attraverso l'induzione elettromagnetica. La nitrurazione fornisce una maggiore profondità del case e una minore distorsione.

Tempra alla fiamma

Con l'indurimento alla fiamma, le torce a ossicombustione riscaldano rapidamente la superficie prima della tempra. La nitrurazione può indurire geometrie complesse in modo più efficace.

Deposizione di pellicola dura

Le tecniche di deposizione di film duri come PVD, CVD e rivestimenti spruzzati termicamente depositano un sottile rivestimento ceramico sulla superficie. La nitrurazione diffonde l'azoto nel metallo del substrato stesso per una migliore adesione e resistenza alla fatica. Tuttavia, i rivestimenti possono fornire ulteriori vantaggi come l'isolamento o la resistenza alle alte temperature.