Nitrurazione

LA NITRURAZIONE

La nitrurazione è uno tra i più importanti, raffinati e costosi processi di produzione industriale legata al vasto mondo dei trattamenti termici. Prima di affrontare l'argomento vero e proprio verrà fatta una panoramica che introdurrà due concetti principali, cioè che cos'è un trattamento termico e quali sono i diversi tipi di trattamenti termici.

 

Che cos'è un trattamento termico?
Con la definizione Trattamento Termico dei Metalli si intendono tutti quei processi che sfruttano l'effetto del calore volto a modificare e/o esaltare determinate proprietà strutturali, meccaniche e tecnologiche di un metallo.
Cicli di riscaldamento e raffreddamento con specifiche caratteristiche di tempo e temperatura sono in grado di modificare la struttura cristallina di un componente meccanico esaltandone le caratteristiche di durezza, tenacità, resistenza e lavorabilità. Già alla fine del 2° millennio A.C., in Etruria si applicavano quelli che oggi sono ritenuti i rudimenti degli attuali trattamenti termici. Per mezzo di tecniche allora esclusiva prerogativa di alcuni gruppi nomadi, si era scoperto come incrementare drasticamente la durezza e la resistenza all'usura delle lame di coltelli e spade. Il processo, del tutto simile a quella che oggi viene definita "cementazione in cassetta", consisteva nel mettere a contatto con la lama dell'utensile particolari sostanze organiche in grado di generare carburi e nitruri, questa fase veniva seguita da un riscaldo a temperature appropriate quindi dopo un periodo di permanenza si abbatteva drasticamente la temperatura con una sorta di "tempra" in acqua Oggi il Trattamento Termico è condotto in impianti completamente automatizzati con sistemi di gestione computerizzati in grado di controllare tramite sofisticati algoritmi interni tutte le singole fasi del processo, unendo all'elevata produttività un'assoluta ripetitività dei processi, requisito indispensabile al fine di assicurare un prodotto qualitativamente costante nel tempo.

Quali sono i trattamenti termici?
I trattamenti termici esistenti sono talmente tanti che risulterebbe inutile e dispersivo persino elencarli e spiegarli uno per uno. Per questo motivo verrà effettuato un elenco dei soli trattamenti termici chiamati “termochimici e una breve spiegazione di come si distinguono gli altri trattamenti.
I termochimici sono:

• Carbocementazone
• Carbonitrurazione
• Nitrurazione
• Cementazione
• Nitrocarburazione
• Solfonitrurazione
• Borurizzazione
• Calorizzazione
• Cromatizzazione
• Sherardizzazione

Gli altri trattamenti termici vengono suddivisi in base al seguente ragionamento:
Sapendo che in un ciclo termico si può suddividere in tre fasi fondamentali: riscaldo, permanenza a temperatura e raffreddamento. La principale suddivisione dei trattamenti termici la si può eseguire in base alle caratteristiche dell'ultima fase: il raffreddamento.

• Trattamenti termici con raffreddamenti in modo continuo (convenzionali)
• Trattamenti termici la cui fase di raffreddamento è caratterizzata da una sosta con determinate caratteristiche di tempo e temperatura (isotermici)

Abbiamo così elencato i trattamenti termochimici, tra questi i principali e i più utilizzati sono la nitrurazione e la cementazione, nella seguente tabella, vengono sottolineati i punti principali che diversificano questi due trattamentitermici:

 

CARATTERISTICHE	NITRURAZIONE	CEMENTAZIONE
Elemento chimico:	N (Azoto), forma nitruri	C (Carbonio), forma carburi
Sequenza:	É un trattamento finale, cioè che non viene seguito da altri trattamenti se non dalla lucidatura.	Questo trattamento (più la tempra) è un trattamento intermedio che viene solitamente seguito dalla rettifica.
Materiale:	Acciaio da bonifica debolmente legato o Al.	Acciai con contenuto di carbonio: C<0,25%
Spessore:	0,3/0,4 (mm)	Al massimo 2,2 mm
Durezza superficiale:	1220 HV	850 HV
Temperatura:	550°C	950°C/850°C
Durata trattamento:	40h/50h	6h/8h

Nella foto in basso a sinistra, è possibile vedere la superficie di un provino nitrurato, sulla superficie del provino si nota un piccolissimo strato di coltre bianca. Sulla destra invece è possibile notare la superficie di un provino cementato, si nota infatti la zona in superficie più scura perché è stata arricchita di carbonio.

Come già spiegato in precedenza, il trattamento termico della nitrurazione è molto diverso da quello della cementazione. Possiamo infatti notare dalla tabella che gli elementi sostanziali che le contraddistinguono sono appunto che in una viene usato l'azoto e nell'altra il carbonio, di conseguenza la nitrurazione e la cementazione formeranno rispettivamente nitruri e carburi.
Sono inoltre due trattamenti termici diversi anche a livello di ordine in quanto, la nitrurazione è un trattamento finale, in quanto sarebbe controproducente trattare ulteriormente i pezzi nitrurati rischiando di compromettere la loro integrità (visto il costo del trattamento), la cementazione invece, non essendo un trattamento così raffinato, viene seguito puntualmente da rettifica, è infatti un trattamento intermedio.
Il materiale usato per la nitrurazione, dev'essere inoltre diverso da quello adoperato per la cementazione, per la nitrurazione viene infatti usato un acciaio da bonifica debolmente legato mentre per la cementazione un acciaio a basso contenuto di carbonio.
La durezza che otteniamo in un acciaio da nitrurazione, è inoltre molto più alta, la durezza di un acciaio nitrurato arriva infatti fino a 1200 HV mentre di un cementato a 850 HV.
Le temperature usate nella nitrurazione sono molto più basse rispetto a quelle della cementazione perchè lo strato interessato dalla nitrurazione è molto più basso rispetto a quello della cementazione.
Dalla tabella notiamo infatti che per la nitrurazione lavoriamo a 550°C mentre nella cementazione attorno ai 900°C.
Le temperature di esercizio infine sono molto diverse inquanto nella nitrurazione serve un tempo compreso tra le 40 e le 50 ore mentre nella cementazione bastano 7 ore. Nelle tecniche di nitrurazione innovative (come in quella ionica) il tempo di esercizio viene ridotto ad un massimo di 30 ore per gli strati più profondi a 30 minuti per quelli più leggeri.

 

INTRODUZIONE ALL'ARGOMENTO :
La nitrurazione è un particolare tipo di trattamento termico che consiste nell’indurimento della superficie di un acciaio. Questo processo, permette di migliorare le sue caratteristiche meccaniche, in particolare la durezza e la resistenza all’usura.

 

TRATTAMENTO DI NITRURAZIONE:

Preparazione pezzo da nitrurare prima dell'inserimento in forno:
Il trattamento di nitrurazione consiste nel riscaldare e mantenere per un tempo sufficiente un materiale ferroso, di opportuna composizione chimica, a temperature di regola comprese nell'intervallo 500-600°C, in un mezzo gassoso contenente ammoniaca anidra ( senza acqua) dal quale possa assorbire azoto. La nitrurazione è generalmente preceduta, ma raramente seguita, da altri trattamenti termici: la temperatura di processo evita pericoli di distorsioni per effetto termico. Con la nitrurazione i pezzi si deformano pochissimo, pertanto questo trattamento risulta idoneo per ingranaggi, stampi, calibri, riscontri, allo scopo di ottenere uno strato superficiale con durezza superiore a quella ottenibile con la carbocementazione, resistente all'usura abrasiva e adesiva, alla fatica e alla corrosione. Questo grazie all'opera dei nitruri che l'azoto ha formato con gli elementi nell'acciaio. Pertanto è possibile completare la lavorazione di un pezzo prima del suddetto trattamento (ramando le parti che eventualmente non debbono venire indurite superficialmente), senza la necessità di ricorrere ad ulteriori lavorazioni, eccezione fatta per la lucidatura delle parti rettificate.

Inserimento pezzo nel forno e avvenimento della nitrurazione:
L'obbiettivo finale, è ovviamente quello di far si che il pezzo subisca la nitrurazione, per conseguire questo scopo si ricorre, in forni a pressione atmosferica, per procurarsi l'azoto, si ricorre alla dissociazione spontanea dell'ammoniaca in azoto e idrogeno che avviene a conveniente temperatura ( maggiore o uguale a 480°C) e in presenza di opportuni catalizzatori ( il ferro è di persè un ottimo catalizzatore).
L'azoto così ottenuto è allo stato atomico nascente (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) è chimicamente molto attivo, per una questione di difetto elettronico per cui si può combinare con il ferro e gli elementi di alligazione dell'acciaio (Al, C, Mo, V), per formare i desiderati composti duri superficiali: i nitruri.
La dissociazione termica dell'ammoniaca, catalizzata dall'acciaio, produce:

2NH3   2N + 3H2

quindi azoto atomico che diffonde nel ferro. Superati i limiti di solubilità dell'azoto nel ferro si formano i nitruri di ferro. Il primo nitruro che si forma quello a minor contenuto di azoto Fe4N, all'aumentare del tenore di azoto assorbito si forma il nitruro Fe2N. La durezza e la profondità dello strato sono legate alle variabili che regolano tale processo, quindi:

• composizione dell'acciaio;
• Potenziale nitrurante (legato al grado di dissociazione dell'ammoniaca);
• temperatura di trattamento (influenza il grado di dissociazione);
• tempo di permanenza.

Il potenziale nitrurante Np (grado di dissociazione dell'ammoniaca) influenza lo spessore e la morfologia della coltre bianca (strato di Fe2N e Fe4N) presente sulla superficie del pezzo; tale strato cede l'azoto all'acciaio sottostante per generare la diffusione dell'azoto nella matrice metallica. Lo strato di coltre bianca può essere eliminato con la rettifica; altrimenti, con l'introduzione di una fase a potenziale nitrurante ridotto (si aumenta il grado di dissociazione) prima della fine del processo si può ridurre o eliminare totalmente la coltre bianca.
Lo strato nitrurato è composto di due zone con strutture aghiformi distinguibili al microscopio:

• La prima zona esterna (la zona dei composti), detta per il suo aspetto micrografico: “coltre bianca”, è costituita da nitruri e da vari elementi di alligazione presenti nell'acciaio e dal nitruro: Fe2N; questo strato è molto duro ma assai fragile ed è pertanto da evitare o minimalizzare al massimo (spessore massimo tollerato minore di 30 micron);
• La seconda zona (zona di diffusione) è costituita dal nitruro Fe4N e da nitruri complessi di forma reticolare e successivamente diffusi con tenore di azoto decrescente dalla superficie; la diffusione verso l'interno è favorita dal nitruro Fe2 del primo strato il quale, a contatto con gli strati sottostanti cede azoto per la formazione di nuovi nitruri duri ma meno fragili, che costituiscono l'obbiettivo finale del trattamento.

Data la lenta diffusione di azoto nel ferro alfa è necessario un tempo relativamente lungo per formare spessori la cui profondità di nitrurazione sia sufficiente agli scopi industriali. Un trattamento normale correttamente eseguito per ottenere uno spessore totale compreso tra 0,2 e 0,4mm richiede un tempo variabile da 40 a 60 ore di permanenza alla temperatura di regime.
Dall’immagine seguente, possiamo notare due strati diversi, la coltre bianca e lo strato nitrurato. La coltre bianca è molto dannosa per l’acciaio in quanto ne abbatte le caratteristiche meccaniche e gli conferisce fragilità. In alcuni trattamenti termici di nitrurazione di precisione (aerospaziale), il limite di tolleranza che viene accettato per la coltre bianca è addirittura 0. Questo risultato viene raggiunto tramite l’utilizzo di una sonda che misura il potenziale di dissociazione dell’ammoniaca e prendendo in considerazione la pressione, la temperatura, la concentrazione dell’ammoniaca e l’idrogeno prodotto dalla dissociazione di questa regola l’afflusso di ammoniaca nel forno. Fingendo la coltre da: “polmone” nitrurante, la quantità di ammoniaca è perfetta e non si viene a formare azoto in eccesso in superficie.

MATERIALI PER NITRURAZIONE:
Materiali particolarmente idonei alla nitrurazione sono acciai calmati quali i seguenti acciai unificati:

• 31CrMo12
• 31CrMow10
• 34CrAlMo7
• 41CrAlMo7

La durezza superficiale di questi materiali può raggiungere rispettivamente:

• 750 HV
• 700 HV
• 900 HV
• 950 HV

Possono essere nitrurati gli acciai:

• Da costruzione e da utensili: ( 36CrMn5, 39NiCrMo3, 18NiCrMo5)
• Acciai inossidabili austenitici e martensiticci
• Gli acciai per valvole di motori a scoppio
• Gli acciai maraging (un acciaio speciale a base di ferro dalle caratteristiche di elevata durezza e malleabilità, ma anche di buona tenacità con un comportamento elastico fin quasi alla rottura).

Nella seguente tabella si possono notare i principali acciai da nitrurazione e i conseguenti modi di nitrurarli, secondo i diversi paramentri. Il primo in elenco è il re degli acciai da nitrurazione, il 41CrAlMo7, il secondo è il 48CrMo4, il terzo il W1,2343/1,2344,il quarto è l’acciaio inox l’ultimo e il C40 e gli acciai al carbonio. Nella tabella vengono indiate le classi, dalla 0 (senza coltre) alla 2 (con 0.025 mm di strato che è il massimo consentito).

Si nota che la nitrurazione viene effettuata in 2 parti, che nella tabella vengono chiamate stage. La prima deve occupare un terzo del tempo totale del processo.
Nella quasi totalità dei casi l'acciaio da nitrurazione viene ordinato allo stato bonificario per avere caratteristiche meccaniche del cuore soddisfacenti e perchè la struttura sorbitica favorisce il trattamento. É evidente che un materiale nitrurato non può essere sottoposto all'operazione di tempra in quanto questa comporterebbe un riscaldamento a temperatura superiore rispetto a quella di nitrurazione con conseguente diffusione dell'azoto verso il cuore del pezzo e perdita di tenacità.
Occorre inoltre ricordare che la nitrurazione causa un leggerissimo aumento di volume dovuto alla trasformazione strumentale cui lo strato superficiale è soggetto (l'aumento di spessore o di diametro si aggira da 15 a 35 micron); tale aumento provoca tensioni superficiali di compressione che favoriscono una crescita considerevole della resistenza a fatica.
La presenza di molibdeno negli acciai da nitrurazione evita che insorgano fenomeni di fragilità.

DUREZZA DELLO STRATO NITRURATO:
La durezza ottenibile nello strato dipende dalla temperatura, dalla durata del procedimento e dal tipo di acciaio. Nelle condizioni ottimali di produzione, si ottengono durezze superficiali massime di 1200-1300 HV tali da garantire una resistenza all'usura e al grippaggio di gran lunga superiore a quella degli acciai carbocementati e temprati ( 700-750 HV). Il valore della durezza superficiale è ottenuto con i metodi indicati nella tabella seguente, relativa alle classi, spessore efficace per: carbocementazione, nitrurazione, carbonitrurazione, nitrurazione salina areata:

Gli acciai da nitrurazione, sono più cari di quelli da carbocementazione; ma nella produzione di particolari ingranaggi come ad esempio per i cambi delle automobili, oggi si intende a preferirli in quanto forniscono prestazioni più vicine alla richiesta dei clienti, si riesce infatti grazie a questi materiali a non avere un aumento progressivo della rumorosità e della potenza richiesta.
Nella figura di sotto, è possibile notare che sul provino nitrurato, è stata effettuata una prova di microdurezza per vedere quanto lo strato di nitruri è penetrato all’interno del provino. Nelle prove di durezza che risultano più grandi, il peso utilizzato era uguale a 1000g mentre in quelle che risultano più piccole, il peso utilizzato era di 200g.

DIVERSI TIPI DI NITRURAZIONE:
Esistono diversi metodi per nitrurare un pezzo, in seguito ne elencheremo alcuni. É necessario premettere che alcuni di questi sono ormai caduti in disuso e sono stai superati dagli altri.
Tra i diversi tipi di nitrurazione, prenderemo maggiomente in considerazione la quella plasmoionica perchè è tra quelle più all'avanguardia.

- NITRURAZIONE PLASMO IONICA
La nitrurazione plasmo ionica è la principale modificazione rispetto il trattamento superficiale di nitrurazione di materiali ferrosi; viene realizzata in un forno freddo in quanto il riscaldamento superficiale è ottenuto localmente per effetto del bombardamento ionico a cui la parte è sottoposta.

Il trattamento in plasma o nitrurazione ionica è uno dei metodi più innovativi ed efficaci che vengono utilizzati nella produzione industriale. Considerato il costo elevato, si nitrurano solo acciai dove il risultato sia tale da compensare la spesa: quindi quelli contenenti cromo, molibdeno e alluminio (< 1%), che formano 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.
Utilizzi più frequenti: calibri, riscontri, ingranaggeria di precisione, fasce elastiche, alberi a camme e a gomiti per la nitrurazione in fase gassosa; utensili di acciaio rapido a profilo costante (creatori, maschi, pettini, punte), acciai inossidabili o per valvole austenitici, alcuni acciai per stampi per la nitrurazione in bagno di sale.
Si sconsiglia di nitrurare pezzi sottoposti a elevata compressione.
Questo trattamento può essere riassunto e schematizzato in 5 punti fondamentali:

• Nel primo punto i pezzi vengono posti in un forno a vuoto (pressione 0,15-1,5 kPa) nel qule viene mantenuta una differenza di potenziale di circa 300 V e quindi una scarica elettrica luminescente stabile tra le pareti del forno (anodo) e i pezzi da trattare (catodo);
• Successivamente viene fatta affluire nel forno una miscela di gas (azoto e idrogeno, oppure ammoniaca e idrocarburi), nella quale l'azoto molecolare si dissocia in azoto atomico ionizzato sotto l'azione della scarica elettrica;
• Gli ioni di azoto(che sono ioni positivi) verranno così proiettati contro le superfici (che sono negative) dei pezzi esercitando su di esse un vero e proprio bombardamento;
• Il bombardamento subito dalle pareti, a sua volta, per impatto sulla superficie dei pezzi, una parte dell'energia cinetica assunta dagli ioni si trasforma così in calore causando sui pezzi un innalzamento della temperatura superficiale dell'ordine di 350-550°C, mentre le parti interne rimangono fredde;
• Gli ioni di azoto atomico, penetrano in profondità negli strati superficiali (0,1-0,2mm) e reagiscono con gli elementi metallici di lega formando nitruri che, rimanendo inglobati nella struttura superficiale, ne determinano l'indurimento.

A livello chimico, quando introduco azoto atomico sulla superficie del pezzo meccanico, questo viene assorbito dal metallo e va appunto a formare nitruri (Fe4N), molto duri i quali distorcono il reticolo cristallino. Il meccanismo di rafforzamento che quindi interviene è quindi quello di Orowan, cioè il modello che spiega l'indurimento e il comportamento deformativo di un metallo sottoposto a diversi tipi di deformazioni. In seguito all'evidenza sperimentale, si nota come nella deformazione di un materiale cristallino sono richieste sollecitazioni via via crescenti per procedere nella deformazione; si riscontra dunque un innalzamento del limite elastico del materiale.
Ciò deriva dal fatto che, nella loro migrazione, le dislocazioni incontrano ostacoli costituiti da grani di precipitato (e anche giunti di grano, altre dislocazioni, ecc.) per superare i quali è necessaria una maggiore energia.
Contro questi ostacoli le dislocazioni tendono quindi ad addensarsi (impilamento delle dislocazioni) ed a curvarsi, passando tra i grani, formando come un anello attorno ai grani di dimensioni maggiori, senza riuscire ad emergere alla superficie del solido, con la conseguenza che, anche per sollecitazioni elevate, il comportamento del materiale sotto sforzo rimane di tipo elastico. Questo meccanismo permette alla deformazione di proseguire il suo moto nel materiale, lasciando attorno ai grani degli anelli di dislocazione che rinforzano il materiale, aumentando la sua resistenza ad una susseguente deformazione e quindi migliorando la sua resistenza alla deformazione.
Accorgimenti post-nitrurazione ionica:
É inoltre possibile controllare, entro certi limiti la composizione chimica dei nitruri che si formano e quindi i valori di durezza ottenibili, permettendo di adeguare le caratteristiche tecnologiche superficiali dei pezzi in funzione di specifici impieghi, un risultato difficilmente ottenibile con gli altri procedimenti di nitrurazione.
La iononitrurazione si applica con successo a quasi tutti i tipi di acciai, alle ghise (grige e sferoidali) e ai metalli come titanio alluminio ecc...
Si ricorda inoltre che nel forno per iononitrurazione possono essere posti dei metalli d'apporto che si combinano con l'azoto dando origine a dei nitruri di titanio , alluminio, boro che si innestano, assieme ai nitruri di ferro, nella struttura cristallina superficiale dei pezzi ottenendo un aumento della durezza superficiale e una diminuzione del coefficiente d'attrito.
Le applicazioni riguardano principalmente gli utensili d'acciaio rapido (punte elicoidali, brocce, creatori, alesatori ecc...). Il vantaggio fondamentale della iononitrurazione consiste nella possibilità di disporre di un complesso di parametri (temperatura, pressione, composizione dei gas, differenza di potenziale e amperaggio) indipendenti tra loro. Ciò permette di ottenere strutture e caratteristiche meccaniche e superficiali tali da adeguarsi alle esigenze degli utenti degli utenti in maniera più semplice e rapida rispetto agli altri processi di nitrurazione. Possiamo notare in basso a sinistra lo schema di funzionamento di un forno per la nitrurazione ionica mentre a destra il diagramma degli spessori efficaci.
Spessori efficaci:
Osservando le norme UNI possiamo individuare, al fine di verificare la validità del nostro trattamento due principali spessori:

• Spessore di indurimento totale: Distanza tra la superficie esterna dello strato indurito ed il punto in cui non si rileva più alcuna differenza nei valori delle durezze.
• Spessore di indurimento efficace: Distanza tra la superficie esterna dello strato indurito ed il punto in cui la durezza di questo assume il valore convenzionale di 100 HV più del cuore.

Possiamo servirci in questo caso di un grafico UNI, che ci aiuta a mettere in relazione la durezza che ha assunto il provino in relazione alla profondità in cui testiamo la durezza:

 

- CARBONITRURAZIONE
Il trattamento di carbonitrurazione consiste nel riscaldare e mantenere per un tempo sufficiente un acciaio a temperatura generalmente compresa tra Ac 1 e Ac 3, in un mezzo liquido o gassoso di particolare composizione chimica, dal quale possa assorbire carbonio e azoto. La carbonitrurazione può essere preceduta da trattamenti preliminari e deve essere seguita da trattamenti finali fra cui uno di tempra. Nella pratica con carbonitrurazione si intende indicare il trattamento termico eseguito in atmosfera controllata, mentre con cianurazione il trattamento in bagni di sali fusi. Le caratteristiche finali dei pezzi trattati nei due modi si possono considerare equivalenti. È da tenere presente che la carbonitrurazione gassosa ha soppiantato quasi completamente la cianurazione salina sia per la maggiore conoscenza dei meccanismi chimico fisici alla base del processo, sia soprattutto per esigenze legate alla salute e all'ambiente.
L'obiettivo della carbonitrurazione è quello di ottenere uno strato superficiale particolarmente duro (60-65 HRC), resistente all'usura e alla fatica superficiale. Questo a opera dei carburi e dei nitruri che il carbonio e l'azoto hanno formato con gli elementi di lega dell'acciaio. Quindi il trattamento si può intendere come una modifica della carbocementazione: l'austenite prodotta nella carbocementazione si arricchisce anche di azoto, differendo da quella normale al carbonio per la stabilità a temperature inferiori e per la lenta trasformazione durante il raffreddamento.

Materiale da carbonitrurazione e parametri di processo:
Sono indicati per questo trattamento gli acciai non legati speciali che conseguono durezze superiori a 750 HV, gli acciai sinterizzati a basso tenore di carbonio gli acciai da cementazione debolmente leggeri (16 MnCr 5 e 16 CrNi 4). In alcuni casi, quando sono richieste alte resistenze a cuore, si ricorre agli acciai da bonifica.
La temperatura di trattamento può variare da 650 a 870 °C: questi valori permettono di ottenere in circa 3 ore, uno strato carbonitrurato di 0,10-0,15 mm. La carbonitrurazione si distingue in ferritica e austenitica se effettuata rispettivamente al di sotto di 680-710 °C o al di sopra di Ac 1. Comunque, per evitare il rischio della presenza di austenite residua legata alla profondità di penetrazione, raramente si utilizzano strati carbonitrurati superiori a 1 mm.
Le sorgenti di carbonio e di azoto di tipo liquido sono costituite da bagni di sali fusi contenenti cianuri, cianati e carbonati alcalini. La sorgente di carbonio e di azoto di tipo gassoso è l'ammoniaca anidra aggiunta a gas portante endotermico insieme a un gas cementante quale il metano o il propano in percentuali variabili secondo il processo.
La carbonitrurazione deve corrispondere a una delle classi indicate nelle apposite tabelle, nelle quali è riportato lo spessore efficace e il metodo per rilevare la durezza superficiale dopo la carbonitrurazione e i successivi trattamenti termici.

 

Caratteristiche degli strati:

Lo strato carbonitrurato è caratterizzato dal gradiente di carbonio e di azoto (funzione della temperatura e del tipo di acciaio), dal gradiente di durezza dalla superficie verso il cuore (funzione del gradiente di carbonio e di azoto e dei successivi trattamenti termici), dallo spessore efficace e totale.

Trattamenti termici preliminari:
I trattamenti preliminari sono quelli che assicurano l'omogeneità strutturale e le minime tensioni interne.
I trattamenti successivi alla carbonitrurazione sono la tempra diretta, la tempra scalare in olio o in sali fusi, il trattamento sotto zero (per la riduzione dell'austenite residua), la distensione, la ricottura di miglioramento della lavorabilità.
Spessori efficaci:
Osservando le norme UNI possiamo individuare, al fine di verificare la validità del nostro trattamento due principali spessori:

• Spessore di indurimento totale: (Per pezzi carbonitrurati e temprati, è rappresentato dalla distanza tra la superficie esterna dello strato indurito ed il punto in cui non si rileva più alcuna differenza nei valori delle durezze).
• Spessore di indurimento efficace: (Per pezzi carbonitrurati e temprati, è rappresentato dalla distanza tra la superficie esterna dello strato indurito ed il punto in cui la durezza di questo assume il valore convenzionale di 550 HV1. Nel caso di durezza a cuore elevata ( > 500 HV1 ) è consentito scegliere valori di durezza convenzionale differenti ( es. 600 HV1 ) da concordare tra le parti.

É necessario aiutarsi con tabelle UNI unificate:

 

- NITRURAZIONE SALINA AERATA:
Consiste nel riscaldare e mantenere per un tempo prestabilito un materiale ferroso (acciai e ghise) a una temperatura di 560-590°C in un bagno di composizione ben definita nel quale venga insufflata aria e dal quale il materiale assorbe per diffusione termica dell'azoto e del carbonio.
Questo trattamento (noto anche sotto il nome di nitrurazione morbida o nitrocarburazione salina) è generalmente preceduto da altri trattamenti quali ad esempio quelli di bonifica, tempra, solubilizzazione, distensione ecc. ma non è seguito da ulteriori trattamenti.
Viene utilizzato quando è necessario ottenere in un tempo non superiore a 2 ore uno strato superficiale duro (500-1000 HV) , tenace, resistente all'usura, al grippaggio, alla fatica. Attualmente il processo avviene utilizzando quasi esclusivamente bagni privi di cianuro: nel metodo denominato TF1 il cianato è generato riducendo la miscela di carbonati di sodio e potassio con una opportuna resina melamminica. La composizione chimica ponderale di questo bagno di nitrurazione è la seguente: CN = 1,1%; CNO = 36%. Similare è il processo CETIM nel quale il bagno di cementazione è esente da cianuri in quanto sostituiti da una soluzione di carburo di calcio o cloruro di calcio fuso. Le classi si distinguono in relazione allo spessore totale.

SPESSORE DEGLI STRATI
Lo spessore totale dello strato interessato al trattamento comprende lo spessore della coltre bianca, definita zona dei composti, costituita per il 20% da carburi di ferro (Fe3C) e per l'80% da nitruri di ferro Fe3N (con assenza del fragile nitruro di ferro Fe2N che si forma nella nitrurazione gassosa), e lo spessore sottostante detto zona di diffusione, nella quale non si ha diffusione di azoto nascente, a tutto vantaggio della tenacità.

 

Dalla zona dei composti, il cui spessore (10 / 20 micron) è funzione della durata del trattamento e della percentuale dei cianati nel bagno, dipendono le caratteristiche di resistenza all'usura, mentre dallo strato di diffusione dipendono le caratteristiche di resistenza a fatica (il limite di fatica migliora del 20-25%).
STRUTTURE A  CUORE E IN SUPERFICIE
Nell’immagine seguente è possibile notare lo spessore della coltre bianca e dello strato nitrurato a 1000X, la messa a fuoco dell’immagine, risulterà compromessa in quanto lo strato nitrurato e la coltre bianca hanno due durezze differenti e durante la lavorazione del provino queste non sono sullo stesso asse orizzontale e viene di conseguenza compromessa la planarità della superficie rendendo sfuocata l’immagine.
Possiamo inoltre notare sul pezzo, una leggera pellicola di ossido che si è andata a formare proprio sulla parte più esposta, in superficie. Più verso il cuore, possiamo invece notare ( nello strato nitrurato) delle venature di colore bianco, che sono dei precipitati d’azoto.

Nell’immagine seguente, è possibile notare a 1000X la struttura granulare di un provino nitrurato a cuore, è possibile notare che la struttura presente è profondamente diversa da quella presente nella superficie del pezzo, questo, sapendo che il provino per essere nitrurato viene scaldato in superficie e non a cuore (quindi non si modifica la struttura) ci fa capire quanto il trattamento termico, modifica la struttura dell’acciaio: