La nitrurazione in plasma: vantaggi ed impieghi

La nitrurazione è un trattamento termochimico che apporta rilevanti modifiche alle proprietà tribologiche, meccaniche ed anticorrosive delle superfici dei particolari trattati, con l’obiettivo d’incrementare vita, affidabilità e prestazioni degli stessi.

Per questi motivi i trattamenti di superficie sono stati ampiamente utilizzati e, col passare degli anni, si sono evoluti in nuove tecniche, ultima delle quali la nitrurazione in plasma, che in TAG viene eseguita con gli impianti presenti nella struttura produttiva di Dolzago.

La nitrurazione mediante tecnologia del plasma ha permesso di superare con successo alcune problematiche tipiche generate dalle vecchie metodologie, come la nitrurazione in bagno di sali e la nitrurazione gassosa, che ora andremo ad esaminare nel dettaglio.

Partire dai metodi tradizionali…

La nitrurazione in bagno di sali (Tenifer – QPQ – TF1) avviene ad una temperatura di ca. 570°C, viene principalmente utilizzata per nitrurazioni di breve durata (qualche ora) o di pezzi alla rinfusa e produce uno strato di pochi centesimi di profondità con caratteristiche principalmente antigrippanti. La tipica composizione chimica del bagno porta alla formazione di una coltre bianca costituita da carbonitruri, porosa e a fasi miste, di tipo ɛ (Fe_2-3N) / Fe_2-3C_xN_y e di tipo ɣ’ (Fe₄N).

Un’applicazione specifica della nitrurazione in fase liquida è quella del trattamento degli utensili in acciaio rapido. Lo scopo principale è sempre stato quello di elevare la resistenza a fatica riducendo la fragilità, che per questi acciai è molto elevata. È considerato un trattamento a basso costo, tuttavia la pulizia dei pezzi dal sale dopo nitrurazione, specialmente nei fori e nelle scanalature, richiede elevati costi di manodopera.

La nitrurazione in plasma permette di eseguire l’indurimento superficiale di utensili filettatori per viteria e bulloneria, realizzati in acciaio rapido:

La possibilità di eseguire il processo utilizzando una percentuale in volume di azoto molto bassa, unitamente alle basse temperature, permette di ottenere uno strato indurito completamente privo di porosità, molto sottile, compatto e pertanto molto tenace.

A differenza degli altri trattamenti, la bassa temperatura del plasma permette di rinitrurare l’utensile dopo rigenerazione (rilavorazione e ripristino del profilo a filettare dopo primo ciclo di produzione), garantendo una vita utile ben più lunga.

Analogamente, il processo in plasma viene applicato con successo presso la nostra struttura produttiva anche agli acciai sinterizzati (es. 70 DDH2 Sint, Sint D30, ecc.): in questo caso viene utilizzato un plasma tale da formare immediatamente uno strato di composti, così da evitare la rapida diffusione di azoto all’interno della tipica porosità di tali materiali ed evitare così un eccessivo aumento volumetrico e/o fragilità.

La nitrurazione in gas, la seconda delle metodologie “tradizionali”, viene condotta a temperature essenzialmente più basse (500 –550°C) rispetto al bagno, ma il processo richiede una quantità considerevolmente maggiore di tempo e può durare da 20 fino a 100 ore, con strati di morfologia poco controllabile dovuti al fatto che, con tale processo, non si riesce a ridurre l’apporto di azoto al di sotto del 30%. Questo genera una conseguente coltre bianca costituita da due fasi molto ben distinte, sovrapposte una all’altra: la fase ɛ (Fe_2-3N) e la fase ɣ’ (Fe₄N), molto porosa e fragile. Non trascurabile nemmeno l’impatto sulle variazioni dimensionali post-trattamento (deformazioni).

… ed arrivare a quelli innovativi: perché la nitrurazione in plasma?

• Con la nitrurazione in plasma è possibile variare a piacimento, oltre che la profondità di nitrurazione, lo spessore e il tipo di strato dei composti superficiali. È possibile quindi ottenere un solo strato di tipo ɣ’ (Fe₄N) oppure misto ɣ’ (Fe₄N) e ɛ (Fe_2-3C_xN_y) oppure solo ɛ (Fe_2-3C_xN_y) o ancora solo ɛ di tipo (Fe_2-3N) senza incorrere, a differenza degli altri processi, nella tipica porosità e fragilità dello strato.

• Per particolari applicazioni è anche possibile eliminare del tutto lo strato bianco dei composti oppure aggiungere uno strato di magnetite a protezione della corrosione.

• È possibile condurre il processo a temperature inferiori a 500°C, permettendo quindi di conservare “a cuore” la durezza conseguita dopo tempra o bonifica: ad esempio per l’acciaio ledeburitico al cromo Wrn°1.2379 (X155CrMoV121) si ha una temperatura di processo = 480°C.

• Un notevole vantaggio è il decapaggio e l’attivazione della superficie per effetto del bombardamento ionico (sputtering). Ciò comporta una cospicua diminuzione dei tempi di trattamento e conseguentemente delle variazioni dimensionali rispetto agli altri processi, con superfici di ottima qualità, oltre a consentire il trattamento di acciai inossidabili e leghe non ferrose, come leghe di titanio.

• Soprattutto è possibile effettuare la nitrurazione direttamente su pezzi finiti, poiché le deformazioni sono in pratica insignificanti se i pezzi sono liberi dai loro tensionamenti meccanici termici. Questa proprietà permette una riduzione considerevole dei costi dei pezzi prodotti grazie all’eliminazione della ripresa in rettifica.