ITMI950685A1 - Acciaio inossidabile da cementazione con azoto - Google Patents

Abstract

Allo scopo di raggiungere, in un acciaio inossidabile da cementazione con azoto, un'alta resistenza alla corrosione dello strato esterno, si propone che esso contenga i seguenti componenti di lega (% in peso):C 0,03N da 0,05 a 0,18Si 1,0Mn 1,5Co da 1,0 a 4,0Cr da 11 a 16Ni da 1,0 a 3,0Mo da 0,5 a 2,5V 0,4 (Figura 3)

Description

L'invenzione si riferisce ad un acciaio inossidabile secondo il concetto caratterizzante della rivendicazione 1.

Gli acciai da cementazione sono per lo più basso-legati e contengono, ad esempio, dallo 0,15 allo 0,20% in peso di carbonio. Mediante carbocementazione dello strato esterno fino a dallo 0,5 all11,0% in peso di C e successiva tempra si formano componenti con un cuore o anima tenace e uno strato esterno duro resistente all’usura, che si trova in stato di compressione a causa della presenza di tensioni interne (o residue). Questo stato di tensione interna conduce ad un incremento della resistenza statica e a sollecitazioni cicliche di componenti come, ad esempio, parti di meccanismi, cambi di velocità, ruotismi, trasmissioni, e parti di cuscinetti volventi.

In determinati campi applicativi esiste l'esigenza di disporre di componenti inossidabili. Cosi, ad esempio, cuscinetti volventi per costruzioni aeronautiche sono fabbricati a partire da acciai inossidabili da tempra di profondità, o tempra a cuore, come, ad esempio, il materiale X 105 CrMo 17 (AISI 440 C). Allo scopo di aumentare la resistenza statica e alle sollecitazioni cicliche di componenti in acciaio inossidabile, è stato sviluppato un acciaio inossidabile da cementazione (ad esempio, EP-0 411 931 Al), che contiene i seguenti componenti alliganti (% in peso):

Cromo e molibdeno conferiscono a questo acciaio la sua resistenza alla ossidazione. Manganese, nichel e cobalto servono, in maniera nota, per la prevenzione della formazione di delta-ferrite nel cuore, e il vanadio conferisce la proprietà di rinvenibilità. Per mezzo dell'alto contenuto di componenti alliganti, la durezza dei cristalli misti nel cuore aumenta, per cui, in confronto ad acciai da cementazione basso-legati è necessario un minore contenuto di carbonio per la regolazione della durezza del cuore. L'azoto viene preferibilmente limitato allo ≤ 0,002% in peso. Componenti preparati a partire da questo acciaio vengono cementati con carbonio .

Nella DE-40 33 706 C2 è descritto un procedimento per il trattamento termico di acciai inossidabili martens itici, nel quale la carbocementazione è sostituita da nitrurazione.L'azoto è, come il carbonio, in grado di aumentare la durezza degli strati superficiali, tuttavia migliora la resistenza chimica della martensite, mentre il carbonio la riduce. La cementazione con azoto (nitrurazione) consente quindi di prevedere il conseguimento della massima resistenza dello strato superficiale alla corrosione, se tale strato è praticamente privo di carbonio.

Scopo della presente invenzione è provvedere un acciaio inossidabile martensitico da cementazione con azoto.

Questo scopo viene conseguito per mezzo di una lega avente la composizione quale è indicata nella rivendicazione 1. Particolari composizioni vantaggiose delle leghe sono indicate nelle rivendicazioni 2 e 3. La rivendicazione 4 indica l’impiego di un acciaio.

Tenendo conto della EP-0411 931 Al, l’esBenza della presente invenzione consiste dunque nella sostituzione del carbonio con azoto nella lega, corrispondente alla sostituzione della carbocementazione con la nitrurazione all'atto della cementazione dell'acciaio.

Il primo stadio consiste nel presente contesto nell'evitare l'uso di carbonio, allo scopo di conseguire, all'atto della cementazione con azoto, una resistenza alla corrosione che sia la più elevata possibile. Il contenuto di carbonio nel nuovo acciaio viene perciò limitato al contenuto minimo raggiungibile con costi sostenibili, di ≤ 0,03% in peso, preferibilmente ≤ 0,02% in peso. Con ciò, si ha una indesiderata perdita di durezza del cuore e incremento di delta-ferrite. Il secondo stadio consiste nel compensare queste modificazioni per mezzo dell'allagamento di azoto. Con ciò, la durezza del cuore viene nuovamente aumentata fino a valori compresi nell'intervallo desiderato,, e la deltaferrite viene destabilizzata.

Al nuovo acciaio vengono conferite caratteristiche di inossidabilità per mezzo dell'11-16% in peso di cromo e dello 0,5-2,5% in peso di molibdeno. Il silicio viene limitato a ≤ 1% in peso. Questi elementi che stabilizzano la delta-ferrite devono essere controbilanciati da elementi destabilizzanti come azoto, manganese, nichel e cobalto, allo scopo di conseguire una struttura totalmente martensitica del cuore del pezzo. L'azoto determina in misura determinante il livello della durezza del cuore, e viene limitato allo 0,05-0,18% in peso. Manganese e nichel aumentano la quantità residua di austenite nella regione superficiale cementata; tale effetto è provocato dal cobalto in misura minore. I contenuti di questi elementi vengono fissati nei seguenti valori: ≤ 1,5% di manganese, 1-3% in peso di nichel e 1-4% in peso di cobalto. Se l'acciaio deve raggiungere una rinvenibilità maggiore, si addiziona fino allo 0,4% in peso di vanadio. Rispettando la seguente relazione, si ottiene una struttura del cuore del pezzo completamente priva di delta-ferrite:

Percentuale in peso di Cr 1,4% in peso di Mo 1,2% in peso di Si 1,8% in peso di V - 25% in peso di C - 17% in peso di N -1,2% in peso di Ni - 0,6% in peso di Co - 0,2% in peso di Mn - 10 ≤ 0.

L'acciaio secondo la presente invenzione viene prodotto mediante colata in lingotti e, nel caso di un contenuto di azoto di ≥ 0,12% in peso, preferibilmente mediante procedimenti di metallurgia mediante pressofusione, o metallurgia delle polveri. Dopo la lavorazione a caldo e la ricottura di lavorabilità ad una durezza di ≤ 270 HV30, l'acciaio può essere sottoposto a lavorazione ad asportazione di truciolo. I componenti con forma prossima alla forma definitiva vengono sottoposti a nitrurazione degli strati superficiali in azoto gassoso o miscele gassose contenenti azoto, ad una temperatura compresa nell'intervallo tra 1050 e 1200°C, preferibilmente tra 1100 e 1150°C e sotto una pressione parziale di azoto compresa nell’intervallo tra 0,5 e 3 bar e quindi ad una tempra diretta, singola o doppia, con successivo trattamento sotto zero. Segue un rinvenimento ad una temperatura compresa nell'intervallo tra 150 e 500°C, nel quale contesto il massimo secondario si regola ad un valore compreso nell'intervallo tra 400 e 470°C. In caso di parti con valori stretti della tolleranza, e di parti con alte esigenze di qualità superficiale, fa seguito una lavorazione di finitura mediante rettifica.

L'acciaio inossidabile da cementazione contenente azoto secondo la presente invenzione viene descritto nel seguito e confrontato con varianti contenenti carbonio, sulla base di esempi di realizzazione pratica.

Le figure mostrano:

la Figura 1 mostra l'effetto del contenuto di azoto sulla durezza del cuore dell'acciaio secondo l'invenzione.

La Figura 2 mostra il risultato della cementazione con azoto per l'acciaio "A" secondo l'invenzione

(a) andamento del contenuto di azoto e della durezza nello strato superficiale;

(b) andamento della tensione interna nello strato superficiale, come determinata mediante raggi X.

La Figura 3 mostra la densità della corrente di passivazione quale misura della velocità di corrosione in acido solforico diluito:

acciaio "A" secondo l'invenzione, cementato con azoto,

acciaio "B" noto cementato con carbonio,

acciaio "C" noto sottoposto a trattamento di tempra di profondità,

la Figura 4 mostra l'effetto dell‘allagamento con lo 0,3% in peso di vanadio sulla tempra secondaria nello strato superficiale dell'acciaio secondo la presente invenzione, dopo la cementazione con azoto.

In Figura 1, è rappresentato l'effetto del contenuto di azoto sulla durezza del cuore dell'acciaio secondo l'invenzione (a) dopo la nitrurazione, tempra diretta e trattamento sotto zero, nonché (b) dopo il rinvenimento nel massimo di tempra secondaria a 450°C.

La durezza dello strato superficiale ammonta per il caso (a) ad un valore compreso nell'intervallo tra 570 e 630 HV 0,1, e per il caso (b) a da 670 a 730 HV 0,1. Un livello di azoto minore dello 0,05% in peso riduce la durezza del cuore ad un valore inadatto, ad esempio, per cuscinetti a rotolamento. Quantità di azoto maggiori dello 0,18% in peso riducono la tenacità nel cuore e provocano la riduzione della desiderata differenza tra durezza del cuore e durezza degli strati superficiali ad un valore troppo piccolo. A valori di azoto compresi nell’intervallo tra lo 0,05 e 0,18% in peso, la durezza del cuore presenta valori che differiscono di più di 100 HV 30. Questo intervallo può essere ridotto suddividendo il contenuto di azoto in (c) dallo 0,05 allo 0,11% in peso e (d) dallo 0,12 allo 0,18% in peso. La variante (c) è adatta per componenti con minore durezza del cuore, e la variante (d) per componenti con valori maggiori della durezza del cuore.

La Figura 2 riproduce il risultato della cementazione con azoto per l'acciaio "A" secondo la presente invenzione, la cui composizione chimica è indicata più avanti nella presente in confronto alle composizioni di acciai "B" e "C" noti.

Dalla Figura 2a appare che, in seguito alla nitrurazione, in corrispondenza della superficie viene raggiunto un contenuto di azoto di circa lo 0,5% in peso, che diminuisce verso l'interno, fino a raggiungere il valore del cuore di circa lo 0,11% in peso. Corrispondentemente, con l'aumentare della distanza dalla superficie, anche la durezza dello strato superficiale diminuisce fino al valore della durezza del cuore. Il rinvenimento nel massimo di tempra secondaria a 450°C provoca un aumento della durezza. La Figura 2b mostra l'andamento della tensione interna, determinata mediante analisi ai raggi X, in corrispondenza dello strato superficiale nitrurato dopo i singoli stadi del trattamento termico, come tempra diretta, trattamento sotto zero e rinvenimento. Lo stato di compressione derivante dalla tensione interna desiderato nello strato superficiale all'atto della cementazione viene conseguito anche nel caso della cementazione con azoto.

La Figura 3 mostra la superiorità dell’acciaio secondo l'invenzione per guanto riguarda la sua resistenza alla corrosione, che può essere evidenziata, ad esempio, per mezzo della densità di corrente passiva ip: quanto minore è il valore della ip, tanto maggiore è la resistenza. Sono posti a confronto l'acciaio inossidabile A contenente azoto secondo l'invenzione, cementato con azoto, un acciaio inossidabile B contenente carbonio cementato con carbonio, e l'acciaio inossidabile per cuscinetti volventi da tempra di profondità C (X 105 CrMo 17, ovvero Al SI 440 C) con i seguenti componenti alliganti, in percento in peso:

Mentre l'acciaio B nella prova di corrosione (H2SOA IN) mostra una resistenza alla corrosione circa paragonabile a quella presentata da C, l'acciaio A secondo la presente invenzione è migliore, in valore arrotondato, di un ordine di grandezza, sia allo stato temprato, sia allo stato rinvenuto. Dopo il rinvenimento, l'acciaio A è ancora altrettanto resistente quanto l'acciaio C dopo l 'indurimento.

Il massimo di tempra secondaria dell'acciaio secondo l'invenzione può essere aumentato mediante vanadio e può essere spostato a temperatura di rinvenimento maggiore.

In Figura 4 è possibile osservare l'effetto dello 0,3% in peso di vanadio. La accresciuta rinvenibilità dovuta alla presenza di vanadio nello strato superficiale nitrurato con lo 0,5% di azoto si riflette in una maggiore resistenza termica. Cosi, la durezza dell'acciaio contenente vanadio è ancora invariata ad esempio dopo un riscaldamento di 1000 ore a 370°C. Insieme con la relativamente buona resistenza alla corrosione dopo il rinvenimento, si ottiene una resistenza considerevolmente migliore dell'acciaio "A" quando sollecitato ciclicamente mediante trattamento di corrosione a umido, e una temperatura di impiego aumentata fino a circa 350°C.

Claims (1)

1. R i v e n d i c a z i o n i 1. Acciaio inossidabile da cementazione con azoto, caratterizzato dal fatto che esBo contiene i seguenti componenti alliganti (% in peso): 2. Acciaio secondo la rivendicazione 1 con bassa durezza del cuore, caratterizzato dal fatto che esso contiene i seguenti componenti alliganti (% in peso): 3. Acciaio secondo la rivendicazione 1 con alta durezza del cuore, caratterizzato dal fatto che esso contiene i seguenti componenti alliganti (% in peso): 4. Impiego di un acciaio secondo le rivendicazioni da 1 a 3 per la fabbricazione di parti inossidabili per cuscinetti volventi, viti a circolazione di sfere, ruote dentate e alberi con dentature integrate o piste di rotolamento.