La nitrurazione è un trattamento termochimico a bassa temperatura utilizzato per migliorare la durezza superficiale, la resistenza all'usura e la resistenza a fatica dei componenti in acciaio. Grazie alla bassa temperatura di lavorazione, garantisce un'eccellente stabilità dimensionale, rendendola essenziale per componenti di precisione come mandrini di macchine utensili, alberi motore e matrici di estrusione, dove sono richieste elevata durabilità e minima deformazione.
Cos'è la nitrurazione?
La nitrurazione è un processo di trattamento termico chimico in cui atomi di azoto vengono infiltrati nello strato superficiale di un pezzo a una determinata temperatura.
Dopo la nitrurazione, i componenti in acciaio formano uno strato superficiale composto da nitruri, che presenta una durezza molto elevata (1000–1100 HV) e mantiene tale durezza senza decadimento anche a 600–650 °C, garantendo così un'eccellente resistenza all'usura e durezza a caldo. Dopo la nitrurazione dell'acciaio, il volume dello strato nitrurato aumenta, generando sollecitazioni di compressione sulla superficie che migliorano significativamente la resistenza a fatica. Inoltre, la bassa temperatura di nitrurazione riduce al minimo la deformazione del componente. La superficie nitrurata forma uno strato di nitruro denso con elevata stabilità chimica, offrendo una buona resistenza alla corrosione e stabilità in acqua, vapore surriscaldato e soluzioni alcaline.
Gli acciai nitrurati includono 35CrAlA e 38CrMoAlA. Prima della nitrurazione, i pezzi devono essere sottoposti a tempra e rinvenimento per stabilizzare la microstruttura del nucleo e ottenere buone proprietà meccaniche complessive, garantendo minime variazioni dimensionali durante l'esercizio, senza necessità di ulteriori trattamenti termici dopo la nitrurazione.
La nitrurazione viene applicata principalmente a componenti meccanici che richiedono elevata resistenza alla fatica, buona resistenza all'usura e dimensioni precise, come mandrini e manicotti di alesatrici e rettificatrici, ingranaggi a vite senza fine e alberi motore di motori diesel. Grazie alle sue eccellenti prestazioni di lucidatura superficiale e alla sua certa resistenza alla corrosione, viene utilizzata anche per stampi in plastica.
I metodi di nitrurazione attualmente utilizzati includono principalmente la nitrurazione gassosa e la nitrurazione al plasma.
Nitrurazione di gas
La nitrurazione gassosa, nota anche come nitrurazione gassosa dolce, viene eseguita in un forno a pozzo dal quale è stata preventivamente evacuata l'aria. Il pezzo sgrassato e pulito viene inserito in un forno sigillato, riscaldato e iniettato in un ambiente con ammoniaca gassosa. L'ammoniaca si decompone a temperature superiori a 380 °C producendo atomi di azoto attivi secondo la seguente reazione:
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
Gli atomi di azoto attivi vengono assorbiti dalla superficie dell'acciaio, formando una soluzione solida e nitruri (come AlN). Con il prolungarsi del tempo di nitrurazione, gli atomi di azoto diffondono gradualmente verso l'interno, dando luogo a uno strato nitrurato di un certo spessore.
Le temperature di nitrurazione più comuni sono 550–570 °C e il tempo di nitrurazione dipende dallo spessore dello strato richiesto. Generalmente, lo spessore dello strato nitrurato è di 0.4–0.6 mm, con tempi di lavorazione di 40–70 ore, quindi il ciclo produttivo per la nitrurazione gassosa è relativamente lungo.
Il processo di nitrurazione gassosa comprende quattro fasi: preparazione pre-nitrurazione, evacuazione e riscaldamento, mantenimento della nitrurazione e raffreddamento. Per garantire una nitrurazione uniforme, i pezzi devono essere sgrassati con benzina o alcol prima del caricamento. La superficie pulita deve essere priva di ruggine o contaminanti. Per le aree che non richiedono nitrurazione, è possibile utilizzare misure anti-nitrurazione come la stagnatura, la ramatura o l'applicazione di rivestimenti. Si consiglia di evitare parti nitrurate, poiché i bordi taglienti spesso formano strati più profondi e fragili. Dopo la nitrurazione, i pezzi devono essere maneggiati con cura al momento della rimozione per evitare collisioni; i pezzi sottili e di precisione devono essere appesi per il raffreddamento per prevenire distorsioni e nuove sollecitazioni.
Grazie alla bassa efficienza di decomposizione dell'ammoniaca, la nitrurazione gassosa è generalmente adatta alla nitrurazione di acciai contenenti elementi quali Al, Cr e Mo. Viene utilizzata principalmente per parti di precisione con elevati requisiti di resistenza all'usura e precisione dimensionale, parti importanti sottoposte a carichi alternati e componenti resistenti al calore e all'usura, come mandrini di alesatrici, ingranaggi di precisione ad alta velocità, alberi motore di motori diesel ad alta velocità, valvole e stampi per pressofusione.
Nitrurazione al plasma
La nitrurazione al plasma viene eseguita sfruttando il fenomeno della scarica luminescente tra il pezzo in lavorazione (catodo) e l'anodo sotto un certo livello di vuoto, ed è quindi nota anche come nitrurazione al plasma a scarica luminescente.
Immagine di credito: ScienceDirect
Il pezzo metallico viene posizionato come catodo in un recipiente a pressione negativa contenente un mezzo contenente azoto. Dopo l'eccitazione, gli atomi di azoto nel mezzo vengono ionizzati, formando una regione di plasma tra il catodo e l'anodo. Sotto l'intenso campo elettrico nella regione di plasma, ioni positivi di azoto e idrogeno bombardano la superficie del pezzo ad alta velocità. Questo bombardamento ionico provoca uno sputtering atomico sulla superficie, purificandola, mentre l'azoto si infiltra nella superficie per adsorbimento e diffusione.
Rispetto alla nitrurazione gassosa convenzionale, la nitrurazione al plasma offre i seguenti vantaggi:
- Ciclo di nitrurazione opportunamente abbreviato.
- Riduzione della fragilità nello strato nitrurato.
- Risparmio di energia e consumo di ammoniaca.
- Capacità di schermare le aree che non necessitano di nitrurazione per un trattamento localizzato.
- La purificazione superficiale mediante bombardamento ionico rimuove le pellicole passive, consentendo la nitrurazione diretta di acciai inossidabili e resistenti al calore.
- Spessore dello strato nitrurato e microstruttura controllabili.
Gli svantaggi includono elevati investimenti in attrezzature, distribuzione non uniforme della temperatura e rigidi requisiti operativi.
La nitrurazione al plasma è adatta per componenti ad alta velocità e poco caricati che richiedono resistenza all'usura e alla corrosione, nonché per componenti sottili ad alta precisione di tipo asta, come mandrini di alesatrici, viti di comando di macchine utensili di precisione, steli di valvole e valvole.
Acciai per nitrurazione
Per ottenere uno strato nitrurato ad elevata durezza e resistenza all'usura sulla superficie dell'acciaio, è necessario utilizzare acciai legati contenenti specifici elementi di lega. Questo perché i nitruri formati con determinati elementi di lega sono molto più stabili dei nitruri di ferro e si distribuiscono con elevata dispersione nello strato nitrurato, conferendo una durezza molto elevata.
Gli elementi di lega più comuni includono Al, Cr, V, Mo, Mn e W. Gli acciai da nitrurazione più utilizzati sono 38CrMoAl e 35CrAl, che forniscono un'elevata durezza superficiale e resistenza all'usura dopo la nitrurazione. Gli acciai per migliorare la resistenza a fatica includono 38CrA, 40CrNiMoA e 18Cr2Ni4WA; gli acciai inossidabili includono 45Cr14Ni14W2Mo e Cr10Si2Mn; gli acciai per stampi includono 3Cr2W8V; gli acciai per molle includono 50CrVA.
Trattamento termico preparatorio per la nitrurazione
Il tipico percorso di lavorazione per i pezzi nitrurati è: forgiatura → ricottura (o normalizzazione + rinvenimento ad alta temperatura) → lavorazione di sgrossatura → tempra e rinvenimento → semifinitura → distensione → finitura → nitrurazione → rettifica o lucidatura finale.
Come si può vedere dal percorso, i trattamenti termici preparatori prima della nitrurazione includono la ricottura (o normalizzazione + rinvenimento ad alta temperatura), la tempra e il rinvenimento e la distensione.
Questi passaggi preparano alla nitrurazione, poiché i pezzi in genere non subiscono ulteriori lavorazioni dopo la nitrurazione.
La ricottura e la normalizzazione perfezionano la microstruttura, migliorano la lavorabilità, eliminano le sollecitazioni interne e preparano alla tempra e al rinvenimento.
Tempra e rinvenimento
La tempra e il rinvenimento sono trattamenti termici preparatori fondamentali, volti a ottenere una microstruttura uniforme e fine della sorbite. Questo non solo garantisce buone e complete proprietà meccaniche a nucleo, ma fornisce anche la necessaria preparazione microstrutturale per la nitrurazione.
I parametri di tempra e rinvenimento influenzano significativamente la qualità della nitrurazione. Per l'acciaio 38CrMoAlA, i punti critici sono più elevati: Ac1 = 790 °C, Ac3 = 900 °C, Ar1 = 740 °C. Inoltre, l'alluminio stabilizza la ferrite, rendendola meno solubile in austenite durante il riscaldamento, pertanto le temperature di normalizzazione e tempra devono essere elevate, con tempi di mantenimento circa 1.5 volte più lunghi rispetto agli acciai strutturali legati generici.
Se la temperatura di tempra è troppo bassa o il tempo di mantenimento è insufficiente, con conseguente dissoluzione incompleta della ferrite nell'austenite, la ferrite libera sulla superficie durante la nitrurazione aumenterà notevolmente la fragilità dello strato. Al contrario, una temperatura di tempra eccessivamente elevata rende i grani di austenite più grossolani, facendo sì che i nitruri si estendano preferenzialmente lungo i bordi dei grani, dando luogo a strutture ondulate o reticolari pronunciate nello strato nitrurato.
tempra Anche la temperatura influenza notevolmente la qualità della nitrurazione. Determina la durezza dopo tempra e rinvenimento: una temperatura di rinvenimento più elevata riduce la durezza, riduce la dispersione di carburi nella matrice, facilita l'infiltrazione di azoto durante la nitrurazione, aumenta la velocità di penetrazione e approfondisce lo strato. All'aumentare della temperatura di rinvenimento, la durezza dello strato nitrurato diminuisce, con una leggera riduzione della durezza a cuore.
Per pezzi di forma complessa, è necessaria una ricottura di distensione per eliminare le tensioni indotte dalla lavorazione meccanica e ridurre la distorsione durante la nitrurazione. Per evitare di ridurre la durezza dopo bonifica, la temperatura di distensione dovrebbe essere di 40–70 °C inferiore alla temperatura di rinvenimento, con un tempo di mantenimento opportunamente prolungato e un raffreddamento lento al di sotto di 150 °C prima della rimozione.
Tabella 1: Processi di trattamento termico preliminare per la nitrurazione gassosa
| Materiale | Processo di trattamento termico preliminare |
| Parti strutturali in acciaio generali / Parti con requisiti di bassa tenacità agli urti | Tempra e rinvenimento (Q&T). La temperatura di rinvenimento ad alta temperatura dovrebbe essere da 20 a 40 °C superiore alla temperatura di nitrurazione; il tempo di mantenimento non dovrebbe essere eccessivo. |
| acciaio 38CrMoAl | È possibile utilizzare la normalizzazione, ma la velocità di raffreddamento deve essere elevata. La normalizzazione è vietata per pezzi con sezioni trasversali elevate. È obbligatorio utilizzare il Q&T; in caso contrario, i nitruri aciculari potrebbero non apparire prontamente nello strato nitrurato. Per gli acciai per utensili e stampi, la tempra e il rinvenimento vengono in genere eseguiti prima della nitrurazione; la ricottura è vietata. |
| Parti sottili, complesse e di precisione | Prima della nitrurazione sono necessari uno o più trattamenti di distensione. La temperatura di distensione è generalmente inferiore alla temperatura di rinvenimento ma superiore a quella di nitrurazione. |
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