RIDOTTO ATTRITO RESISTENZA ALL`USURA ASPETTO

RIDOTTO ATTRITO
DUREZZA SUPERFICIALE
RISPETTO GEOMETRIE
RESISTENZA ALL’USURA
ASPETTO ESTETICO NERO
RESISTENZA A CORROSIONE
RESISTENZA A FATICA
La storia recente
L’ azienda nasce nel 2007 come fornitore
unico di trattamenti termici per l’azienda
CAPI Group con sede a Calliano.
Nel corso degli anni l’azienda decide di
svilupparsi e di creare un polo di riferimento
per il trattamento termico nel Trentino.
• 2008: si decide di puntare sui processi di nitrurazione. Viene avviato il
progetto di sviluppo di un processo innovativo di nitrurazione catalitica
• 2012 l’azienda si sposta in una nuova sede a Rovereto dove viene
installato il primo impianto prototipo di nitrurazione catalitica.
• 2015: installazione secondo impianto nitrurazione catalitica e NITRICAT
L’azienda
L’azienda è costituita da due reparti produttivi.
• Reparto Tempra Induzione
•
•
Parco macchine tempra induzione a media frequenz.
Reparto Nitrurazione Gassosa
•
Forni a pozzo: Dimensioni utili impianto delle camera Ø=1.80 e H=2.70mt
La produzione è affiancato da un laboratorio attrezzato per il collaudo e
l’assistenza metallurgica.
Colmegna Nord è un azienda che opera nel rispetto della certificazione ISO
9001:2008
Colmegna Nord - Mercato
Colmegna Nord opera nel mercato della meccanica industriale come fornitore
di servizi per il trattamento termico:
▪ Tempra induzione
▪ Nitrurazione gassosa catalitica
▪ Nitrurazione catalitica post-ossidata
I principale clienti sono costituiti da aziende del campo della meccanica,
operanti in differenti settori di mercato, dalla meccanica di precisione alle
industrie siderurgiche.
I partners dei nostri clienti sfruttano i vantaggi dei nuovi processi di
nitrurazione catalitica acquisendo nuove e importanti commesse con aziende
internazionali, quali Comer, Dana, Bonfiglioli, Mecalac, Caterpillar, etc.
Colmegna Nord - I punti cardine del progetto
▪ SERVIZI: La mission di Colmegna Nord è quella di espandere i servizi offerti
al cliente attraverso l’ampliamento del nuovo reparto produttivo legato
all’introduzione della nuova tecnologia di nitrurazione catalitica.
▪ LEADERSHIP: Lo scopo degli investimenti è quello di portare l’azienda
Colmegna Nord in una posizione di leadership per il mercato regionale ed
inserirsi nel mercato nazionale ed internazionale come azienda
all’avanguardia nel campo dei trattamenti termici, con particolare
attenzione alla nitrurazione.
▪ RICERCA: L'azienda si propone il continuo sviluppo dei propri processi,
promuovendo la ricerca al fine di ottimizzare i processi, così da offrire sul
mercato un prodotto di elevata qualità ed interesse tecnologico.
Processo nitrurazione gassosa
La nitrurazione gassosa è un trattamento termochimico d’indurimento per
mezzo del quale l’azoto atomico viene introdotto superficialmente in una lega
ferrosa solida.
Viene eseguita a temperature comprese tra i 490°C e i 580°C.
Le principali proprietà meccaniche che derivano dal trattamento sono:
▪ Incremento della durezza superficiale
▪ Resistenza a carichi elevati
▪ Resistenza ad usura
▪ Resistenza a fatica
Aspetti generali della nitrurazione gassosa
La tecnica della nitrurazione offre notevoli vantaggi rispetto ad altri
trattamenti superficiali:
1. Temperature comprese nel campo di 490°C – 580°C
2. Durezze superficiali nell’ordine di 680 – 720 HV
3. Deformazioni sui pezzi azzerate
Ma anche diversi svantaggi:
1. Tempi di trattamento molto lunghi: 48 – 60 ore
2. Conversione dell’NH3 ridotta
3. Limite di profondità a 0.6 – 0.7 mm
4. Quantità notevoli di NH3 non reagita, da trattare prima dell’emissione in
atmosfera
5. Costi energetici sostenuti
Scopo del progetto di ricerca di nitrurazione catalitica NitriCat
Come migliorare le prestazioni energetiche dell’impianto e ridurre i tempi di
trattamento?
Lo scopo del progetto è quello di ottenere un prodotto con caratteristiche
prestazionali e di qualità assolutamente superiori alla media di mercato in
termini di:
▪ Migliore qualità microstrutturale dello strato nitrurato;
▪ Maggiore profondità di indurimento;
▪ Minori distorsioni post-trattamento;
▪ Tempi di consegna ridotti
Il processo catalitico NitriCat
Le reazioni base del processo di nitrurazione catalitica si possono sintetizzare nei seguenti
aspetti:
▪ Sostituzione di prodotti stabili (idrogeno e azoto) con prodotti metastabili
(azoto e idrogeno radicalici, ioni, ioni radicali)
▪ Inserimento di un supporto catalitico di metalli nobili
▪ Modifica del meccanismo che porta alla formazione dello strato nitrurato
sul metallo
DISSOCIAZIONE TERMICA
Dissociazione dell’ammoniaca
all’interno del forno e sulla
superficie del pezzo
DISSOCIAZIONE CATALITICA
Grafico °C/%diss
Dissociazione dell’ammoniaca
anticipata nel catalizzatore dalla
presenza di metalli nobili
Cinetica di processo
NITRURAZIONE STANDARD
NITRURAZIONE CATALITICA
Rapida formazione di uno strato di
nitruro ad elevato contenuto di azoto
che porta alla formazione di azoto
molecolare
con
conseguente
aumento dello strato poroso di coltre
bianca.
Diffusione in soluzione solida.
Raggiunta la saturazione la reazione
procede con la formazione dei nitruri
con tenore d'azoto crescente così
come da diagramma di stato.
Profondità di diffusione dell’azoto
notevoli, strati superficiali di nitruro γ e
riduzione di nitruro poroso che verrà a
formarsi solo per tempi di trattamento
lunghi.
Substrato Fe(α)
Substrato Fe(α)
Nitrurazione gassosa catalitica post-ossidata Nitricat NOX
Micrografia ottica - Reagente Nital 3% Ingrandimento 1000X - Strato NITRICAT-NOX su
acciaio 20MnCr5
Particolare di un provino in 42CrMo4 nitrurato e
post-ossidato
Il processo Nitricat
• Diminuire la barriera potenziale energetica dei legami dell’NH3
• Accelerare la cinetica di reazione
• Ottenere un grado di dissociazione dell’ammoniaca più alto a parità di T di
processo
• Lavorare a flussi di gas ridotti anche fino al 50% per un normale ciclo
• Rendere selettiva la reazione tra Fe e NH3, formando maggiormente nitruri
γ’ anziché nitruri ε
• Diminuire i tempi di trattamento e quindi in consumi energetici generali del
processo
• Ottenere un controllo molto preciso dell’atmosfera nitrurante e quindi della
reazione
Durezza superficiale
La durezza superficiale ottenuta dopo trattamento dipende prevalentemente dalle
caratteristiche del materiale base (composizione chimica, trattamenti preliminari).
Grazie al processo NitriCat è possibile esaltare le caratteristiche del materiale base
conferendo al pezzo una durezza ottimizzata per le richieste a disegno.
Grafico rappresentativo di caratterizzazione di un catalizzatore
RANGE CATALIZZATORE
RANGE
NITR.
▪ Range di lavoro
250-490°C
▪ Temp. Ottimale
440-490°C
▪ Stabilità dei valori in
ampio range di flussi
Deformazione? No grazie.
Il trattamento NitriCat è stato sviluppato al fine di ridurre al minimo il rischio
di deformazioni nel rispetto delle tolleranze dimensionali anche più
ristrettive.
L’incremento dimensionale su tutte le superfici del componente trattato è
limitato allo spessore dello strato trasformato durante il processo, e
compreso nell’intorno dei 0.0005-0.0015 mm sui piani e dei 0.001-0.002 mm
sui diametri.
Per ridurre il rischio di deformazioni incontrollabili e non prevedibili, il
processo NitriCat ed il processo NitriCat-NOX permettono di utilizzare
temperature e tempi di trattamento ridotti rispetto ai trattamenti
tradizionali, fattori che aiutano a ridurre il rischio su particolari di geometria
complessa.
Resistenza a fatica
Le prove eseguite su differenti materiali mostrano incrementi del limite di
fatica tra 60-70%. Ciò è di grande interesse per tutte le applicazioni
meccaniche che prevedono sollecitazione ciclica sia di tipo hertziano che di
puro strisciamento.
La maggior parte dei cedimenti in esercizio deriva infatti da fenomeni di
fatica, tra i quali può anche essere annoverata l’usura.
Lo strato di indurimento generato dal processo NitriCat e NitriCat-NOX
permette di ottenere sul pezzo finito uno stato tensionale superficiale di
precompressione particolarmente adatto a contrastare i fenomeni di fatica.
Resistenza ad usura
Il trattamento di nitrurazione tradizionale è ben conosciuto per le sue
proprietà antifrizione e di resistenza ad usura.
Il processo NitriCat-NOX nello specifico, grazie alla presenza dello strato di
ossido a spessore e morfologia controllata, migliora ulteriormente tali
caratteristiche.
La presenza dell’ossido migliora il coefficiente di usura, in particolare in
regime tribo-ossidativo, mentre la morfologia porosa aiuta i fenomeni di
micro-lubrificazione durante il contatto.
Test di laboratorio dimostrano infatti come le particelle di olio protettivo
rimangano intrappolate nelle porosità dello strato superficiale svolgendo un
effetto cuscinetto lubrificante durante l’accoppiamento.
Resistenza ad usura
Generalmente sugli acciai l’applicazione del trattamento NitriCat-NOX
permette una riduzione di almeno un ordine di grandezza del tasso di usura
rispetto al materiale non trattato, od ai semplici trattamenti di protezione
superficiale come brunitura o fosfatazione.
Coefficiente di attrito
Il trattamento NitriCat-NOX possiede ottime proprietà tribologiche, dovute
principalmente sia allo strato dei composti che allo strato di ossido
sovrastante. Misure del coefficiente di attrito mostrano valori intorno lo
0.40-0.50 in accoppiamenti acciaio-acciaio.
Confronto coefficiente di attrito misurato con prova di usura pin-on-disc
Applicazioni - Particolare prototipo
La figura sottostante evidenzia le differenze estetiche tra un particolare
trattato con nitrurazione catalitica NitriCat (sinistra) e nitrurazione
gassosa (destra)
VANTAGGI
- Aspetto estetico
- Coltre bianca contenuta entro 6micron e totalmente compatta
- Ciclo di trattamento dimezzato
Nitrurazione gassosa catalitica NitriCat
Vantaggi tecnici
Strato nitrurato di maggiore qualità metallurgica
Atmosfera ad alta concentrazione di specie attive utili al processo
Possibilità di avere strati specifici (riduzione cb porosa o cb nulla)
Riduzione di consumo di gas e minori emissioni atmosferiche
Vantaggi cliente
Riduzione dei tempi di processo
Minore lead time
Riduzione delle deformazioni (temperature di nitrurazione più basse)
Nitrurazione gassosa catalitica post-ossidata Nitricat-NOX
Il trattamento NitriCat-NOX è la combinazione dell’innovativo processo di
nitrurazione gassosa NitriCat e di un avanzato processo di post-ossidazione
in atmosfera gassosa controllata.
Il controllo accurato di ogni fase del trattamento permette di gestire
specifiche richieste del cliente, agendo direttamente sulle proprietà
metallurgiche dello strato funzionale in relazione alle caratteristiche del
componente o del materiale.
Il trattamento NitriCat-NOX è particolarmente indicato per applicazioni nelle
quali è richiesta resistenza a corrosione in particolari condizioni atmosferiche,
ambienti industriali o marini unitamente ad un incremento delle proprietà
meccaniche superificali quali la durezza, la resistenza a fatica e ad usura.
Nitrurazione gassosa catalitica post-ossidata Nitricat NOX
Nelle fasi del processo Nitricat-NOX lo strato nitrutato è visto come substrato
per il successivo processo di ossidazione.
La formazione e la morfologia dello strato di ossido sono infatti influenzati
dalla porosità e dalla natura dello strato dei composti.
Struttura multi strato
Lo strato di diffusione: garantisce l’incremento delle proprietà meccaniche di
durezza e resistenza a fatica fungendo da substrato di supporto per i
successivi strati. Il suo spessore varia tra 0.10mm a 0.70mm.
Strato dei composti: determina le proprietà di resistenza ad usura ed
abrasione, oltre che contribuisce alla resistenza a corrosione. L’ottimizzazione
dello strato dei composti grazie al controllo del processo NitriCat-NOX,
permette di ottenere le caratteristiche richieste in funzione del materiale
impiegato.
Strato di ossido: costituito da uno strato uniforme di Magnetite (Fe3O4), un
ossido di ferro particolarmente stabile chimicamente. La magnetite formata
durante il processo NitriCat-NOX possiede un potenziale di pitting
elettrochimico addirittura superiore a quello degli acciai inossidabili
austenitici.
Elevata adesione dello strato di ossido
Il processo NitriCat-NOX è caratterizzato da una elevata adesione dello strato
funzionale (coltre bianca + strato ossido) al substrato sottostante.
Diversamente dai processi elettrolitici, dai rivestimenti ad immersione a caldo
e dai processi di deposizione PVD o CVD, nei quali lo strato funzionale è
creato con un processo di ancoraggio meccanico al substrato o con una
reazione di diffusione di modesta entità.
Nel processo NitriCat-NOX lo strato funzionale accresce direttamente dal
materiale base come reazione di trasformazione della superficie del pezzo
(contenente ferro ed elementi alliganti) e le specie chimiche dell’atmosfera di
processo.
Post impregnazione, una marcia in più
Una caratteristica dello strato di magnetite generato dal trattamento NITRICAT-NOX è
la sua intrinseca porosità, che lo rende particolarmente adatto alla
post-impregnazione che ne eleva ulteriormente le caratteristiche di resistenza a
corrosione.
Questo stadio viene eseguito per deposizione (a spruzzo o per immersione) di specifici
prodotti a base solvente contenenti agenti inibitori di corrosione che, penetrando
all’interno della porosità superficiale, sigillano lo strato di ossido offrendo una
ulteriore barriera all’attacco degli agenti esterni.
Resistenza a corrosione
I dati di resistenza in nebbia salina condotti su differenti tipi di materiali
trattati mediante il processo NITRICAT-NOX mostrano, nella maggior parte
delle condizioni, performance superiori. I materiali testati sono quelli più
comuni tra gli acciai da costruzione (C45, 20MnCr5, 42CrMo4, 2311) e le
ghise (GJS-600).
Ecosostenibilità
Il tema dell’impatto ambientale sta diventando sempre più importante nello
sviluppo dei processi industriali, in particolare sui risvolti che i prodotti di
lavorazione hanno sulla salute dell’uomo e dell’ambiente.
Contrariamente ai processi in bagni di sale fuso o a quelli di
elettrodeposizione nei quali sono presenti sostanze altamente nocive, il
processo Nitricat NitriCat-NOX non producono sostanze nocive per l’uomo e
l’ambiente.
I gas utilizzati durante il processo vengono opportunamente convertiti in
specie chimiche inerti (idrogeno, azoto, acqua) sia durante il processo stesso
che prima dell’immissione in atmosfera non producendo quindi scarti, costosi
e delicati da smaltire.
Immagini rappresentative NitriCat
Immagini rappresentative NitriCat NOX
Minuteria geometria complessa
Cilindri oleodinamici di comando
Immagini rappresentative NitriCat NOX
Componenti armi – NitriCat NOX vs Nitrurazione gassosa concorrente
Immagini rappresentative NitriCat NOX
Immagini rappresentative NitriCat NOX
Alberi di trasmissione (h=2500mm, peso 2200kg)
Immagini rappresentative
Dadi da nitrurare con trattamento NitriCat
(peso 2000kg)