Acciai da nitrurazione
Premessa
Da quando si è riusciti ad abbreviare i tempi e a contenere lo spessore della coltre bianca, la nitrurazione trova
sempre più spazio tra i trattamenti di indurimento superficiale. Inoltre, è stata dimostrata la possibilità di assoggettare
anche acciai non “specifici da nitrurazione”. A ciò si aggiungono le eccellenti caratteristiche di resistenza all’usura, al
grippaggio, alla fatica, e le ridottissime deformazioni da trattamento proprie della nitrurazione.
Acciai da nitrurazione
Gli acciai specificatamente da nitrurazione sono quelli previsti dalle norme UNI EN 10085:2003 (tabella 1):
ACCIAI DA NITRURAZIONE UNI EN 10085:2003
Gruppo di acciaio
Qualità
Legato al Cr-Mo
31 CrMo12
Legato al Cr-Mo-V
31 CrMoV 10
Legato al Cr-Al-Mo
34 CrAlMo 7 - 41 CrAlMo 7
tabella 1
Oltre a quelli espressamente previsti dalle norme, molti altri acciai sono normalmente sottoposti a
nitrurazione gassosa, tra cui:
- 20 MnCr5 tra gli acciai da cementazione;
- C40 e 42 CrMo 4 tra gli acciai da bonifica;
- X 155 CrVMo 12-1KU tra gli acciai da utensile per lavorazioni a freddo;
- X 40 CrMoV 11 KU tra gli acciai da utensile per lavorazioni a caldo;
- X 82 WMo 6-5 tra gli acciai da utensile rapidi;
- X 30 Cr 13 tra gli acciai inossidabili martensitici;
- X 5 CrNi 18-10 tra gli acciai inossidabili austenitici.
La scelta degli acciai da nitrurazione si basa principalmente su i seguenti fattori:
1) prezzo;
2) caratteristiche meccaniche (resistenza a trazione, limite di fatica, tenacità, durezza ecc.);
3) durezza superficiale e tipo di trattamento;
4) temprabilità;
5) processo di fabbricazione.
1) Prezzo
In tabella 2 sono riportati gli indici, del tutto indicativi, dei prezzi di alcuni acciai, avendo scelto come indice
di riferimento il 42CrMo4.
ACCIAIO
INDICE DI PREZZO
42 CrMo4
100
31 CrMo12
123
31 CrMoV 10
128
41 CrAlMo 7
131
20 MnCr 5
93
14CrMoV6-9
161
tabella 2
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2) Caratteristiche meccaniche
Le caratteristiche meccaniche sono riportate sulle tabelle di unificazione degli acciai. Quando si desiderano
valori di resistenza più elevati di quelli previsti dalla norma, si può ricorrere a temperature di rinvenimento più
basse di quella usuale di 600°C, ma è indispensabile tener conto delle temperature del trattamento, che è
compreso tra 500÷580°C, e la temperatura di rinvenimento deve essere superiore a quella di nitrurazione
per non ridurre la resistenza a cuore.
Nella tabella 3 sono riportati i valori di resistenza minima in funzione del diametro (spessore) e della
resilienza in funzione della resistenza dopo bonifica, secondo UNI EN 10085:2003.
Rm
2 1500
34 CrAlNi 7
N/mm
Resistenza minima in funzione del diametro
1400 14 CrMoV 6-9
1300 14 CrMoV 6-9
1200 1100 31 CrMo 12
31 CrMoV 10
1000 900
800
700
31 CrMo 12
14 CrMoV 6-9
14 CrMoV 6-9
31 CrMoV 10
31 CrMo 12
41 CrAlMo 7
31 CrMo 12
31 CrMoV 10
34 CrAlNi 7
34 CrAlMo 7
14 CrMoV 6-9
31 CrMo 12
41 CrAlMo 7
31 CrMoV 10
34 CrAlNi 7
Diametro [mm]
600 16
40
100
160
200
tabella 3
KCU
40
[Joule]
34 CrAlNi 7
Resistenza in funzione della resilienza dopo bonifica
14 CrMoV 6-9
35
34 CrAlNi 7
31 CrMoV 10
31 CrMoV 10
31 CrMo 12
31 CrMo12
31 CrMoV 10
30
25
20
34 CrAlMo 7
41 CrAlMo 7
31 CrMo 12
41 CrAlMo 7
2
Rm [N/mm ]
15
tabella 3
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
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3) Durezza superficiale e tipo di trattamento
Gli acciai da sottoporre a nitrurazione possono essere scelti basandosi sulla intensità di durezza superficiale,
intesa sia come valori propri di durezza sia come profondità di indurimento ottenibile. In tabella 4 sono
riportati i valori orientativi di durezza superficiale e di resistenza a cuore ottenibili dopo il trattamento.
ACCIAIO
31 CrMo 12
31 CrMoV 10
34 CrAlMo 7
41 CrAlMo 7
20 MnCr 5
DUREZZA
SUPERFICIALE HV1
700
750
900
950
700
RESISTENZA CUORE
2
N/mm
1100
1100
1000
1000
900
tabella 4
Nella scelta del trattamento (nitrurazione classica o nitrurazione morbida) e dell’acciaio da nitrurare si deve
tener conto del gradiente delle durezze degli strati induriti che risultano significativamente diversi, come si
può vedere nel grafico 1 durezze-spessore relativo all’acciaio 31CrMoV10.
HV
1000
Acciaio 31 CrMoV 10 bonificato
800
Nitrurazione 72 h - 510-520°C
600
400
Nitrurazione morbida 6h - 560°C
200
dist. dal bordo esterno
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
grafico 1
4) Temprabilità
Un organo meccanico nitrurato è caratterizzato dalla durezza superficiale, dalla profondità di indurimento
dello strato indurito e dalla resistenza a cuore. La durezza superficiale dipende essenzialmente dalla
composizione chimica dell’acciaio, la profondità d’indurimento dipende sia dalla composizione dell’acciaio
sia dal gradiente di azoto diffuso, mentre la resistenza a cuore dipende dalla temprabilità, e quindi anche
dalla composizione chimica.
Facendo riferimento alle curve di temprabilità (grafico 2), si può notare come i materiali che presentano
durezze superficiali più elevate dopo nitrurazione sono in realtà meno adatti per realizzare organi meccanici
di grande dimensione.
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grafico 2
5) Processo di fabbricazione
Il ciclo di fabbricazione normalmente usato è il seguente:
- taglio da billetta o barra;
- stampaggio a caldo;
- bonifica;
- lavorazione meccanica di sgrossatura;
- ricottura di stabilizzazione a temperatura superiore a quella massima di nitrurazione, se si vuole
contenere le deformazioni (non è consigliabile effettuare raddrizzature di pezzi nitrurati);
- finitura;
- nitrurazione;
- eventuale rettifica o lappatura.
Gli acciai da nitrurazione sono lavorati generalmente allo stato bonificato e quindi il problema della
lavorabilità acquista grande importanza.
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