Gli acciai inossidabili e le leghe a base di nichel sono spesso scelti per molte applicazioni in ambienti corrosivi. Sebbene la resistenza alla corrosione li renda una scelta favorevole, lo scarso comportamento tribologico può impedire un uso più ampio di questi materiali. Il processo Kolsterising® è un metodo collaudato per l'indurimento superficiale di questi materiali attraverso la diffusione del carbonio. Il presente documento intende evidenziare i miglioramenti tipicamente riscontrati nelle proprietà meccaniche, tra cui la resistenza alla galla, all'usura e all'erosione per cavitazione. In genere, a causa della natura del processo, queste proprietà vengono migliorate senza la consueta riduzione della resistenza alla corrosione. I miglioramenti delle proprietà saranno dimostrati utilizzando dati nuovi ed esistenti provenienti dall'Europa e dal Nord America.
Se i fluidi liquidi o gassosi e il particolato entrano in contatto con la superficie dei materiali resistenti alla corrosione, c'è il rischio di un'usura prematura. Inoltre, è fondamentale che i componenti a pressione delle valvole mantengano l'integrità strutturale, in quanto l'usura prematura e la galla possono causare una perdita di efficacia o un guasto. Per combattere questi problemi sono stati utilizzati molti rivestimenti e processi di trattamento termico. Una tecnologia più recente è un processo di indurimento superficiale a bassa temperatura per proteggere i componenti della valvola in ambienti difficili.
Acciai inossidabili austenitici
I pro e i contro degli acciai inossidabili austenitici sono ben noti e gli aspetti positivi, come l'elevata resistenza alla corrosione, l'alta tenacità e le proprietà amagnetiche, sono stati sfruttati per molti anni. Tuttavia, le debolezze intrinseche della bassa resistenza, della bassa resistenza all'usura e della suscettibilità alla vaiolatura, alla corrosione da stress e da crepe ne hanno negato l'uso in alcune applicazioni.
Carburazione convenzionale
In genere, nella carburazione o nitrurazione convenzionale, si formano carburi o nitruri di cromo ai bordi dei grani a causa delle elevate temperature di processo (>500 ºC). Questo porta all'impoverimento del cromo e alla perdita di resistenza alla corrosione, vedi Figura 1.
Kolsterising®
Nel processo proprietario Kolsterising® , il carbonio si diffonde interstizialmente nella matrice FCC causando tensioni residue di compressione (vedi figure 2 e 3). Grazie alle basse temperature, non si formano carburi di cromo nell'austenite espansa, spesso chiamata fase SP. Di conseguenza, la durezza superficiale aumenta notevolmente senza perdere la resistenza alla corrosione.
Dettagli del processo
Il processo Kolsterising® non è mai stato brevettato, pertanto i parametri effettivi rimangono di proprietà di Bodycote. I dettagli di base sono comunque:
- La durezza superficiale è tipicamente aumentata fino a 800-1200 HV0,05 (equivalente a 65-72 HRc).
- Low temperature process (< 500ºC or < 932ºF)
- Carbonio diffuso in superficie in grandi quantità (tipicamente 8-10 wt %)
- Strato di diffusione da 10 a 40 μm (da 0,0004" a 0,00157") formato in acciaio inossidabile austenitico
- In grado di trattare piccoli pezzi in blocco e pezzi più grandi con trattamento individuale
- Nessuna variazione delle dimensioni a causa delle basse temperature
Affinché il processo abbia successo, è necessario eliminare, o almeno ridurre al minimo, la presenza di δ-ferrite e di martensite di deformazione, vedi figura 4.
Programma di test meccanici
Nuovo programma
È stato progettato un programma di test in collaborazione con lo stabilimento Bodycotedi Skokie, IL. Il materiale campione è stato acquistato da un'acciaieria locale ed è stato selezionato per la disponibilità piuttosto che per lo sviluppo di proprietà ottimali. Le leghe utilizzate nel programma erano AISI 304, AISI 316 e la lega duplex SAF 2205. Il materiale è stato suddiviso in lotti, uno di riferimento (non trattato) e uno per il Kolsterising®. Il Kolsterising® sono stati sottoposti a trattamento termico in soluzione sottovuoto prima del trattamento.
Proprietà meccaniche e durezza
Su questi campioni sono stati eseguiti diversi test. I risultati riportati di seguito sono quelli delle proprietà meccaniche più significative. La resistenza alla fatica è tipicamente aumentata dal 10 al 100%, come mostra la Figura 5.
La durezza della superficie è di primaria importanza per aumentare la resistenza all'usura e alla galla. Esistono tre trattamenti Kolsterising® "normali": 33 micron, 22 micron e duplex. I termini "33" e "22" si riferiscono alla profondità nominale della cassa in micron. Per le leghe duplex è necessario un trattamento speciale, poiché esiste il rischio di infragilimento alle alte temperature di trattamento.
La durezza superficiale deve essere misurata mediante micro-Vickers o Knoop, utilizzando un carico massimo di 50gf. Vedere la misurazione del profilo di durezza nella figura 6 per i diversi trattamenti su un campione standardizzato 316L ricotto in soluzione.
Resistenza al gelo
La mancanza di resistenza alla galla è un grave difetto degli acciai inossidabili austenitici ed è stata ampiamente segnalata. Per valutare la resistenza al gelo di ciascun campione è stato utilizzato il test Faville. In questo test, un albero viene fatto ruotare a 330 giri al minuto mentre viene tenuto in una coppia di ganasce con una forza di chiusura di 707 N. Le fotografie seguenti mostrano l'albero e le ganasce dopo il test per tre condizioni: non trattato (figura 7), nitrurazione convenzionale (figura 8), nitrurazione convenzionale (figura 8).
nitrurazione convenzionale (figura 8) e Kolsterising® (figura 9).
Resistenza all'usura
Test di usura palla su disco. Una sfera di ossido di alluminio, Ø 5 mm, è stata premuta contro la superficie cilindrica di un disco rotante con una forza di 20 N. Mentre era sotto pressione, il disco è stato fatto ruotare a una velocità di circa 50 mm/s. La rotazione è durata poco più di 2,5 ore e ha fornito una traccia di usura continua di 500 m sul disco. Il test è stato eseguito su materiale 316L non trattato e 316L con applicazione di Kolsterising® . Al termine dei test, i campioni sono stati misurati al tatto con un profilometro. La Figura 10 mostra i profili superficiali dei due campioni. Il campione non trattato presenta un elevato volume di usura, mentre il campione Kolsterizzato mostra solo un certo inglobamento in superficie.
Sintesi e conclusioni
Per gli ambienti corrosivi, gli acciai inossidabili austenitici e duplex sono spesso la prima scelta di progettisti e utenti. Tuttavia, a causa delle deboli proprietà tribologiche specifiche del materiale e soprattutto della bassa resistenza all'usura, essi rappresentano una sfida particolare.
Per migliorare le prestazioni meccaniche mantenendo la duttilità del materiale di base, si possono applicare rivestimenti o rivestimenti duri. Questo metodo per migliorare l'usura può essere potenzialmente rischioso a causa di possibili scagliature, problemi di corrosione sotto il rivestimento o elevati sforzi di rilavorazione che aumentano i costi totali.
La soluzione ottimale per ottenere una superficie dura ma sempre duttile, senza bisogno di modifiche, è la tempra superficiale Kolsterising® . Grazie all'elevata duttilità associata a sollecitazioni di compressione molto elevate, l'impatto dell'usura e dell'attrito può essere notevolmente ridotto per molte applicazioni e materiali in acciaio inossidabile. Ciò è fondamentale quando si ha a che fare con componenti contenenti pressione come corpi e sedi di valvole, nonché altri componenti di valvole come i dispositivi di fissaggio.
Esaminando i dati di test meccanici nuovi ed esistenti, è chiaro che alcune proprietà meccaniche chiave degli acciai inossidabili austenitici e delle leghe a base di nichel possono essere migliorate con l'uso del processo Kolsterising® .
- La durezza superficiale è aumentata in modo sostanziale, fino a 800-1.200 HV0,05 (equivalente a 65-72HRc).
- Le proprietà di resistenza alla corrosione sono mantenute, se non migliorate (nessuna formazione di carburo)
- La resistenza alla galla è notevolmente aumentata
- Le proprietà antiusura sono aumentate
- Gli impatti dell'erosione da cavitazione sono ridotti
- Le proprietà di fatica mostrano un ampio miglioramento
Da sottolineare anche il fatto che, grazie alla bassa temperatura di trattamento, i componenti non subiscono variazioni di dimensioni o di colore, e la tempra è uniforme su spigoli vivi, all'interno di fori, fori ciechi e spazi vuoti di pochi micron.
Questo articolo è stato pubblicato per la prima volta su Valve World Americas - Settembre 2021