Basi della nitrurazione: nitrurazione gassosa e al plasma senza tempra

Un principio di indurimento diverso

A differenza della cementazione, la nitrurazione non si basa su una trasformazione di fase. I pezzi vengono riscaldati a circa 500–580 °C — al di sotto delle temperature di rinvenimento e di trasformazione dell'acciaio — in un ambiente che fornisce azoto (gas di ammoniaca o un plasma di azoto). L'azoto diffonde e forma nitruri fini e duri con gli elementi di lega presenti nell'acciaio. Poiché successivamente non viene temprato nulla, la distorsione è minima e i pezzi finiti possono essere trattati.

Le due zone

Una superficie nitrurata presenta due regioni distinte:

• Strato composto ("strato bianco") — un sottile film superficiale di nitruri di ferro, tipicamente spesso da pochi micrometri a poche decine di micrometri. È molto duro, resiste al grippaggio e alla corrosione, ma può essere fragile; su pezzi di precisione o caricati a fatica viene spesso limitato o rimosso mediante lappatura.
• Zona di diffusione — al di sotto di esso, l'azoto in soluzione e i precipitati di nitruri di lega aumentano gradualmente la durezza fino al livello del cuore. Le profondità totali dello strato sono tipicamente circa 0.2–0.7 mm, molto più sottili degli strati cementati, perché la temperatura più bassa rallenta la diffusione e i cicli durano già decine di ore.

La durezza superficiale dipende fortemente dall'acciaio: i gradi contenenti alluminio e cromo possono superare circa 1000 HV, mentre gli acciai al carbonio semplici ottengono poco più di una protezione superficiale — mancano degli elementi formatori di nitruri.

Acciai che si nitrurano bene

Gli acciai da nitrurazione sono deliberatamente legati con alluminio, cromo, molibdeno e vanadio:

• 1.8550 (31CrMoV9) — il classico acciaio dedicato alla nitrurazione, fornito pretemprato.
• 4140 / 42CrMo4 — ampiamente nitrurato per alberi e ingranaggi dove è sufficiente una durezza dello strato moderata.
• H13 (1.2344) — gli stampi per lavorazione a caldo vengono routinariamente nitrurati (o nitrocarburati) per resistere alla saldatura e alle cricche termiche nel servizio di pressofusione.
• I gradi inossidabili e maraging dispongono di proprie varianti a bassa temperatura per evitare di compromettere la resistenza alla corrosione o la struttura invecchiata.

Regole di processo importanti

1. Pretemprare prima. Il cuore viene temprato e rinvenuto prima della nitrurazione e la temperatura finale di rinvenimento deve trovarsi in sicurezza al di sopra della temperatura di nitrurazione — altrimenti il ciclo stesso sovrarinvenisce il cuore.
2. Distendere dopo la sgrossatura, in modo che al ciclo di nitrurazione non vengano chiesti due compiti.
3. Gas vs plasma. La nitrurazione gassosa è lo standard economico per lotti. La nitrurazione al plasma (ionica) offre un migliore controllo dello strato bianco, funziona più facilmente sui gradi inossidabili e può mascherare aree meccanicamente, a un costo di impianto superiore.
4. Nessuna tempra significa nessun recupero. Difetti superficiali, decarburazione o un cuore tenero in ingresso saranno ancora presenti in uscita — la qualità della preparazione decide il risultato.

Nitrurazione e cementazione a confronto

I due processi di indurimento superficiale sono complementari, non concorrenti. La cementazione offre strati più profondi (comunemente nella classe 0.5–2 mm), maggiore capacità di carico e costo unitario inferiore su ingranaggi ad alto volume, ma richiede una tempra, con la distorsione e la rettifica di finitura che ne conseguono. La nitrurazione offre strati più sottili e limiti di carico di contatto inferiori, ma il pezzo può essere lavorato di finitura prima del trattamento ed emerge dimensionalmente stabile, con migliore resistenza alla corrosione e comportamento al grippaggio. I fattori decisivi sono solitamente la profondità dello strato richiesta, la tolleranza alla distorsione e se l'acciaio in questione contiene gli elementi formatori di nitruri da cui dipende la nitrurazione.