Acciaio inox, nitrurazione e resistenza alla corrosione

Gli acciai inossidabili sono ampiamente utilizzati in quei settori dell’industria dove la resistenza a corrosione costituisce un requisito fondamentale. Il loro comportamento tribologico risulta per lo più inadeguato a causa di alti attriti e bassa resistenza ad usura. In particolar modo la famiglia degli inox austenitici, manifestando un’elevata tendenza all’adesione e una bassa resistenza alla deformazione plastica, pone limiti a una loro più ampia applicazione. La nitrurazione ha l’obiettivo di migliorare tali comportamenti e, per questo motivo, sono stati effettuati nel corso degli anni svariati studi con differenti tecnologie che hanno evidenziato comunque alcune problematiche, le principali sono:

1. La naturale passivazione superficiale

La resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili è dovuta ad un film di ossido sottile e tenace che si forma sulla superficie. Come si evince in letteratura, lo spessore di questo film è di circa 1÷4 nm ed è costituito principalmente dalla fase Cr2O3 (triossido di cromo) che mostra un’elevata resistenza alla corrosione. La presenza di questo film è importante quanto la sua compattezza e il suo spessore.

2. La sensibilizzazione (con conseguente corrosione intercristallina)

Una delle difficoltà consiste nell’attuare un attento controllo del processo termochimico, soprattutto delle temperature massime applicate, poiché, se effettuato ad alta temperatura (> 550°C), può portare a un’indesiderata precipitazione di carburi a bordo grano (sensibilizzazione) e/o alla formazione di eccessivi nitruri di cromo che, sottraendolo alla matrice, ne ridurrebbero drasticamente la resistenza a corrosione.

3. Fragilità dello strato indurito

L’esperienza condotta da TAG col processo di nitrurazione dell’acciaio AISI 310S a bassa temperatura (~380°C) ha avuto come esito uno strato indurito che si mostra fragile, nonostante i successivi trattamenti termici di diffusione eseguiti al fine di contrastare tale problematica. Per questo motivo TAG ha optato per un processo di nitrurazione in prossimità della temperatura limite considerata di 550°C. Il metallo viene riscaldato ad una temperatura sufficiente a consentire la diffusione degli atomi interstiziali (carbonio e azoto), ma tale da evitare un’indesiderata precipitazione di carburi e/o nitruri a bordo grano. La differente concentrazione di carbonio/azoto nella fase austenitica, tra superficie e cuore del pezzo, induce elevati stati tensionali residui di compressione (pari a circa 1-2 GPa) nella zona superficiale che, insieme all’elevata durezza corticale, contribuiscono a migliorare sensibilmente la resistenza a fatica, ostacolando sia la fase di nucleazione che quella di propagazione delle cricche; è stato anche evidenziato che l’aumento delle durezze corticali accompagnate dall’aumento delle tensioni residue superficiali, in alcuni casi, può generare locale fragilità dello strato indurito.

4. Mantenimento della resistenza alla corrosione dopo indurimento con azoto

La forte affinità tra N e Cr consente la permeazione dell’azoto in tutti gli acciai con tale elemento in lega, ma nel caso degli inox, il film di ossido di cromo superficiale inibisce completamente la reazione N-Cr. Il primo passo è dunque quello di “attivare” la superficie, rimuovendo il film passivante di Cr2O3 al fine di innescare e facilitare la diffusione di azoto. Proprio per questo motivo, il trattamento di nitrurazione ottimale è quello supportato dal plasma. La fase iniziale di tale processo, chiamata sputtering, utilizza il plasma di idrogeno, generato grazie all’energia fornita al gas idrogeno, da elettroni opportunamente accelerati con un’elevata tensione elettrica. Un caso esemplare è rappresentato dall’AISI 310S, che, grazie agli alti contenuti di nichel e cromo, si contraddistingue per un’elevata resistenza alla corrosione soprattutto alle alte temperature (fino a circa 1000 °C), sia in ambienti ossidanti che riducenti; motivo per cui anche la nitrurazione, che avviene a temperature decisamente inferiori, risulta difficoltosa. Le micrografie seguenti mettono in evidenza l’importanza della fase di sputtering. Quando localmente non è stato rimosso il film passivante, o rimosso parzialmente, si osserva irregolarità dello strato indurito e/o la totale assenza di nitrurazione. La soluzione a suddetta problematica consiste in un’adeguata ed efficiente fase iniziale di sputtering. È stata appositamente impostata una tensione pulsata ad alto voltaggio, combinata ad un flusso d’idrogeno molecolare, in modo da ottenere la scissione della molecola di idrogeno in ioni H+, accelerati ed indirizzati sulla superficie del pezzo dalla differenza di potenziale. L’impostazione dei parametri del plasma deve essere tale da garantire energia cinetica superiore all’energia di legame degli atomi del solido e del film di ossido, in modo da causarne la rottura e il danneggiamento con conseguente emissione di atomi (“polverizzazione catodica”). Il film di ossido passa in fase gassosa attraverso un processo di tipo meccanico ed è successivamente evacuato attraverso il sistema di aspirazione dell’impianto. L’opportuna variazione dei parametri della fase di sputtering e l’applicazione per un tempo adeguato hanno portato al superamento della problematica e all’ottenimento di uno strato nitrurato costante e uniforme.