Boronatura dell'acciaio – saturazione per diffusione della superficie con boro, FeB e strato di Fe₂B
Perforazione, chiamato anche boronizzazioneè un processo trattamento termochimico consistente nella saturazione per diffusione dello strato superficiale del materiale boro BL'obiettivo del processo è creare uno strato di boruro molto duro, che offra principalmente un'elevata resistenza all'usura abrasiva, adesiva ed erosiva, nonché una maggiore resistenza superficiale a determinati ambienti chimici.
Nel caso del ferro e dell'acciaio, durante la perforazione, i componenti principali che si formano sono boruri di ferro Fe₂B e FeBSono caratterizzati da valori molto elevati durezza, superando significativamente la durezza delle strutture tipiche ottenute come risultato della classica indurimento.
La barenatura viene utilizzata principalmente per componenti che operano in condizioni di intenso attrito, abrasione e contatto con materiali abrasivi, tra cui parti di macchine per l'industria mineraria, agricola e della lavorazione delle materie plastiche, pompe, valvole, utensili e componenti per il trasporto di materiali sfusi.
Che cos'è la perforazione?
Durante la perforazione, la superficie del materiale in lavorazione è esposta ad un ambiente contenente sostanze attive boro B.
A temperature sufficientemente elevate, gli atomi di boro vengono adsorbiti sulla superficie e successivamente diffondono all'interno del materiale.
Il boro ha un'elevata affinità per ferroQuando viene raggiunta la concentrazione appropriata, si formano i caratteristici boruri di ferro:
- Fe₂B,
- Febbraio.
A seconda della composizione chimica dell'acciaio, della temperatura, del tempo di processo e dell'attività del boro, si può formare uno strato monofase di Fe₂B o bifase di FeB + Fe₂B.
Dal punto di vista tecnologico, è spesso più vantaggioso ottenere, innanzitutto, strato monofase di Fe₂B, perché lo strato esterno di FeB è più fragile.
Meccanismo di alesatura dell'acciaio
Il processo di creazione di uno strato borurato può essere semplificato in diverse fasi:
- attivazione superficiale e fornitura di boro attivo,
- adsorbimento di atomi di boro sulla superficie del materiale,
- diffusione del boro nelle profondità dell'acciaio,
- reazione del boro con il ferro e la formazione di boruri,
- crescita dello strato di Fe₂B,
- con un'attività del boro sufficientemente elevata – formazione dello strato esterno di FeB.
La crescita dello strato è un processo di diffusione e pertanto dipende fortemente dalla temperatura e dal tempo. L'aumento della temperatura incrementa la velocità di diffusione del boro, mentre l'aumento del tempo di processo generalmente porta a un aumento dello spessore dello strato.
Costruzione dello strato borurato
Lo strato ottenuto durante la perforazione è diverso dallo strato tipico ottenuto durante carburazione o nitrurazione.
Non si tratta semplicemente di una soluzione di boro nella matrice. Sulla superficie si formano fasi di boruro separate e molto dure.
| Zona | Caratteristica | Senso |
|---|---|---|
| Febbraio | La fase esterna è più ricca di boro | Durezza molto elevata, ma anche maggiore fragilità |
| Fe₂B | Fase più vicina al suolo | Elevata durezza e, di solito, una combinazione più favorevole di resistenza all'usura e resistenza meccanica. |
| zona di transizione | L'area tra lo strato di boro e il nucleo | Trasferisce i carichi tra uno strato molto duro e il substrato |
| Nucleo | Materiale di base | Fornisce resistenza, duttilità e capacità portante dell'elemento |
strato di Fe₂B
Fe₂B è una fase particolarmente desiderabile in molte applicazioni di borurazione dell'acciaio.
È caratterizzato da:
- molto alto durezza,
- elevata resistenza all'abrasione,
- buona adesione al substrato quando il processo viene eseguito correttamente,
- meno fragile della fase FeB.
Una caratteristica tipica dello strato di Fe₂B su molti acciai è la sua bordo dentellato, aghiforme o seghettato con il terrenoQuesta morfologia deriva dalla crescita di fase direzionale durante la diffusione del boro.
Può favorire l'ancoraggio meccanico dello strato nel materiale del substrato.
strato di FeB
Se il potenziale boronizzante dell'ambiente è elevato o il processo viene condotto in condizioni che favoriscono un ulteriore arricchimento della superficie con boro, può formarsi una fase sulla parte esterna dello strato di Fe₂B Febbraio.
Il FeB è caratterizzato da un'elevatissima durezza, ma allo stesso tempo è più fragile.
La presenza di una disposizione particolare può essere particolarmente sfavorevole:
Le fasi FeB e Fe₂B presentano proprietà fisiche differenti, tra cui diversi coefficienti di dilatazione termica. Ciò può generare tensioni al confine di fase durante il raffreddamento o il successivo utilizzo.
Per questo motivo, in molte applicazioni tecnologiche si cerca di limitare la formazione di FeB e ottenere strato monofase di Fe₂B.
Durezza dello strato borurato
Una delle caratteristiche più importanti degli strati borici è la loro altissima durezza.
A seconda della fase, del materiale e delle condizioni di processo, i valori di microdurezza degli strati di boruro possono essere approssimativamente nell'intervallo di circa. 1200–2000 alta tensionee in certi sistemi anche al di fuori di questo intervallo.
| Strato o struttura | Livello di durezza caratteristico |
|---|---|
| Fe₂B | Durezza molto elevata, tipicamente nell'ordine di diverse centinaia di HV. |
| Febbraio | In genere ha una durezza ancora maggiore rispetto a Fe₂B, ma è più fragile. |
| acciaio temprato | Durezza inferiore rispetto ai tipici rivestimenti al boruro. |
| Nucleo elementare | Dipende dal tipo di acciaio e dal precedente trattamento termico. |
Tuttavia, l'elevata durezza non dovrebbe essere l'unico criterio per valutare la qualità della foratura. Sono importanti anche lo spessore dello strato, l'uniformità, la fragilità, l'adesione al substrato e la presenza della fase FeB.
Temperatura di perforazione
La foratura dell'acciaio viene solitamente effettuata a una temperatura relativamente elevata, spesso nell'intervallo di circa 800-1050 ° C.
I parametri esatti dipendono da:
- tipo di materiale,
- metodi di perforazione,
- spessore dello strato richiesto,
- geometria dell'elemento,
- composizione dell'ambiente di perforazione,
- struttura di fase richiesta dello strato.
Temperature più elevate aumentano la velocità di diffusione del boro e consentono una crescita più rapida degli strati, ma possono anche influenzare la struttura del nucleo, la dimensione dei grani, le sollecitazioni e le deformazioni del componente.
L'influenza del tempo sullo spessore dello strato borurato
Dato che la borurazione è un processo di diffusione, lo spessore dello strato aumenta con il tempo di processo.
Tuttavia, questa non è una relazione lineare. Nei processi controllati dalla diffusione, la crescita dello strato è solitamente vicina a un andamento parabolico.
In termini semplici, la relazione può essere scritta come segue:
in cui:
- x – spessore dello strato,
- k – coefficiente dipendente, tra le altre cose, dalla temperatura e dal materiale,
- t – periodo di prova.
Ciò significa che raddoppiare il tempo non comporta automaticamente il raddoppio dello spessore dello strato.
Spessore dello strato borurato
A seconda della tecnologia e dell'applicazione, lo strato di boruro può avere uno spessore che varia da diverse decine a diverse centinaia di micrometri.
Per i componenti soggetti ad intensa abrasione, potrebbe essere necessario uno spessore maggiore, mentre per le parti soggette a carichi dinamici, uno strato eccessivamente spesso e fragile potrebbe risultare svantaggioso.
Lo spessore ottimale dello strato dipende quindi dalle effettive condizioni operative dell'elemento.
Metodi di perforazione
La perforazione può essere effettuata utilizzando diversi metodi che si differenziano per le modalità di apporto del boro alla superficie.
| Metodo | Caratteristica |
|---|---|
| Boriatura in polvere | L'elemento viene inserito in una miscela in polvere contenente una fonte di boro, un attivatore e ingredienti di riempimento. |
| Perforazione della pasta | Il preparato contenente ingredienti boruranti viene applicato direttamente sulla superficie dell'elemento |
| foratura del bagno | Il processo viene condotto in un ambiente liquido contenente composti che consentono il rilascio del boro. |
| Perforazione del gas | Il boro viene fornito da un'atmosfera gassosa opportunamente selezionata. |
| Perforazione al plasma | Il trasporto e l'attivazione dei componenti sono facilitati dalla scarica a bagliore e dal plasma. |
Boriatura in polvere
Boriatura in polvere è uno dei metodi industriali più conosciuti.
L'elemento viene posto in una miscela di polveri idonea contenente una fonte di boro. Quando riscaldato alla temperatura di processo, si formano componenti attivi che consentono il trasporto del boro in superficie.
Il metodo è relativamente semplice dal punto di vista tecnologico e può essere utilizzato per elementi di varie dimensioni e forme.
Tra i limiti si annoverano i tempi di processo relativamente lunghi, la necessità di rimuovere la miscela residua e la maggiore difficoltà nel controllo della crescita locale degli strati rispetto ad alcuni metodi più avanzati.
Perforazione della pasta
W perforazione a pasta Una preparazione contenente composti del boro viene applicata sulla superficie dell'elemento.
Il metodo può essere utile nei seguenti casi:
- elementi di grandi dimensioni,
- foratura di superfici selezionate,
- parti con geometria complessa,
- trattamento locale della superficie.
Dopo l'applicazione della pasta, l'elemento viene sottoposto a un ciclo termico appropriato per consentire la diffusione del boro.
Perforazione al plasma
Perforazione al plasma utilizza un ambiente di plasma attivo per favorire il trasporto del boro verso la superficie.
Questa tecnologia consente un controllo del processo più preciso e può ridurre alcuni dei difetti tipici dei metodi tradizionali.
Tra i vantaggi dei processi al plasma vi è la possibilità di controllare i parametri superficiali, ma richiedono apparecchiature tecnologiche più complesse.
L'influenza degli elementi di lega sulla borurazione
La composizione chimica dell'acciaio ha un'influenza significativa sulla cinetica di crescita, sulla morfologia e sulle proprietà dello strato borurato.
| Elemento | Simbolo | Effetto sullo strato borurato |
|---|---|---|
| Carbone | C | Influisce sulla cinetica di crescita dello strato e sui cambiamenti che avvengono nella zona sottostante lo strato di boro. |
| cromo | Cr | Può partecipare alla formazione di boruri di lega e influenzare la durezza e la morfologia dello strato. |
| Nichel | Ni | Influisce sulla cinetica di diffusione e sulla struttura a strati negli acciai legati. |
| molibdeno | Mo | Può formare boruri e influenzare le proprietà dello strato |
| Vanadio | V | Elemento fortemente formatore di boro; può influenzare la composizione di fase e la durezza dello strato |
| Tytan | Ti | Ha un'elevata affinità per il boro e può formare boruri molto duri. |
Negli acciai legati, lo strato può quindi contenere non solo boruri di ferro, ma anche boruri o fasi complesse legate alla presenza di elementi di lega.
Quali tipi di acciaio si possono forare?
È possibile forare un'ampia gamma di materiali ferrosi, tra cui:
- acciai a basso tenore di carbonio,
- acciai a medio tenore di carbonio,
- acciai strutturali legati,
- acciai per il miglioramento termico,
- acciai per utensili selezionati,
- acciai resistenti alla corrosione se la tecnologia viene selezionata correttamente,
- ghisa.
Tuttavia, la composizione chimica del materiale influenza la velocità di crescita dello strato, la sua forma e la composizione di fase; pertanto, i parametri sviluppati per un acciaio non dovrebbero essere automaticamente trasferiti a un altro tipo.
Alesatura e carburazione
La borurazione e la carburazione sono processi di saturazione superficiale per diffusione, ma portano a strutture fondamentalmente diverse.
| Caratteristica | Perforazione | Carburazione |
|---|---|---|
| Elemento | Bor B | Carbonio C |
| Principali fasi superficiali | Fe₂B e possibilmente FeB | Uno strato arricchito di carbonio, poi indurito mediante tempra |
| Indurimento dopo saturazione | Non è una condizione fondamentale per ottenere un'elevata durezza dei boruri | Solitamente necessario per ottenere uno strato martensitico duro |
| Durezza dello strato | Molto alto | Elevata, ma generalmente inferiore alla durezza degli strati di boruro |
| Resistenza all'abrasione | Molto alto | alto |
| Fragilità | Potrebbe rappresentare una limitazione significativa, soprattutto in presenza di FeB | Solitamente più piccolo con uno strato di carburazione realizzato correttamente |
Alesatura e nitrurazione
La borurazione può essere paragonata anche alla nitrurazione.
| Caratteristica | Perforazione | Nitrurazione |
|---|---|---|
| Elemento | Bor B | Azoto N |
| Fasi tipiche | Fe₂B, FeB e boruri di elementi di lega | Nitruri e strati di composti γ′/ε a seconda della tecnologia |
| Temperatura del processo | Zwykle wyższa | Solitamente più basso |
| Durezza | Estremamente alto | Molto elevato, a seconda del materiale |
| Deformazioni | Il rischio è maggiore a causa della temperatura più elevata | Solitamente di piccole dimensioni a causa della temperatura di processo più bassa |
| Resistenza all'abrasione | Particolarmente elevato in condizioni abrasive | Elevata resistenza all'usura e alla fatica superficiale |
Borogenesi e nitrocarburazione
La carbonitrurazione produce uno strato relativamente sottile di composti di azoto e carbonio e una zona di diffusione. La boronidazione, d'altra parte, produce fasi di boruro molto dure.
La foratura può conferire maggiore durezza e resistenza all'abrasione severa, ma viene eseguita a temperature più elevate e può comportare un rischio maggiore di fragilità e variazioni dimensionali.
La scelta del processo dovrebbe quindi basarsi sulle effettive condizioni operative e non unicamente sulla massima durezza superficiale possibile.
L'effetto della barenatura sulla resistenza all'usura
Il motivo più importante per utilizzare la perforazione è elevatissima resistenza all'usura abrasiva.
I boruri duri limitano la rimozione del materiale tramite:
- particelle minerali dure,
- sabbia e polvere,
- materiali sfusi,
- particelle contenute nei mezzi trasportati,
- contatto di scorrimento in specifiche condizioni tribologiche.
Pertanto, la borurazione è particolarmente interessante nelle applicazioni in cui l'acciaio temprato classicamente o lo strato ottenuto dopo altri trattamenti superficiali si usurano troppo rapidamente.
Resistenza alla corrosione degli strati borurati
Gli strati di boruro possono migliorare la resistenza del materiale a determinati ambienti chimici e corrosivi.
Ciò non significa, tuttavia, che la perforazione fornisca automaticamente risultati universali resistenza alla corrosione.
Il comportamento dipende da:
- tipo di ambiente,
- temperatura,
- composizione di fase dello strato,
- porosità e continuità dello strato,
- tipo di materiale del substrato.
La resistenza alla corrosione deve pertanto essere valutata in relazione allo specifico ambiente operativo.
Fragilità dello strato borurato
Molto alto durezza I boruri sono associati a una capacità limitata di deformazione plastica.
Lo strato può essere soggetto a fessurazioni quando:
- forti carichi d'urto,
- deformazioni significative del substrato,
- elevate sollecitazioni di contatto,
- spessore dello strato selezionato in modo errato,
- presenza di uno strato di FeB eccessivamente spesso.
Pertanto, il nucleo dell'elemento deve fornire un supporto adeguato allo strato superficiale molto duro.
Trattamento termico dopo la foratura
A seconda del tipo di acciaio e della tecnologia utilizzata, la foratura può essere combinata con ulteriori trattamento termico.
Poiché la temperatura di borurazione può essere compresa in un intervallo simile a quello delle temperature utilizzate durante l'austenitizzazione di molti acciai, il ciclo tecnologico può essere progettato in modo tale che anche le proprietà del nucleo vengano opportunamente modellate dopo la borurazione.
Tuttavia, ciò richiede la selezione individuale dei parametri per uno specifico tipo di materiale.
Controllo di qualità dello strato borurato
La valutazione dello strato dopo la perforazione può includere:
- Misurazione dello spessore dello strato,
- prove metallografiche,
- identificazione delle fasi FeB e Fe₂B,
- misurazione microdurezza,
- valutazione della morfologia del confine strato-substrato,
- ispezione di crepe e discontinuità,
- prove di resistenza all'usura,
- prove di resistenza alla corrosione, se pertinenti all'applicazione.
La sola misurazione della durezza non è sufficiente per valutare appieno la qualità di uno strato. Uno strato con una durezza molto elevata ma eccessiva fragilità o una struttura bifasica sfavorevole può avere prestazioni inferiori rispetto a uno strato di Fe₂B progettato correttamente.
Applicazione della perforazione
La foratura viene utilizzata soprattutto per i componenti esposti a un'usura intensa.
Le applicazioni tipiche includono:
- viti e cilindri delle apparecchiature per la lavorazione delle materie plastiche,
- componenti della pompa,
- valvole e sedi valvole,
- boccole e perni,
- guide,
- elementi di macchinari agricoli,
- parti di macchine minerarie,
- elementi di dispositivi per il trasporto di materiali sfusi,
- utensili per la lavorazione della plastica,
- muore e prende a pugni,
- parti esposte a erosione e usura abrasiva.
Vantaggi della perforazione
- durezza superficiale molto elevata,
- elevatissima resistenza all'abrasione,
- elevata resistenza all'usura abrasiva,
- la possibilità di aumentare la durata delle parti che operano in condizioni tribologiche difficili,
- stabilità delle fasi di boruro duro ad alte temperature entro l'intervallo appropriato per un dato materiale,
- Può essere utilizzato per molti tipi di acciaio e ghisa.
Limitazioni di perforazione
- temperatura di processo relativamente elevata,
- rischio di deformazione dell'elemento,
- fragilità dello strato di boro,
- uno strato di FeB eccessivamente spesso può essere particolarmente sfavorevole,
- idoneità limitata per carichi d'impatto pesanti,
- necessità di un'adeguata preparazione della superficie,
- Difficile lavorazione meccanica della superficie dopo la foratura a causa dell'elevatissima durezza.
Noioso – confronto con altri processi di trattamento termochimico
| proces | Elemento principale | Caratteristiche dello strato | La caratteristica più importante |
|---|---|---|---|
| Perforazione | B | Borki Fe₂B / FeB | Elevatissima durezza e resistenza all'abrasione. |
| Carburazione | C | Strato arricchito di C, poi indurito mediante tempra | Strato duro e nucleo duttile |
| Nitrurazione | N | Nitruri + zona di diffusione | Elevata durezza con deformazioni relativamente piccole |
| Nitrocarburazione / nitrocarburazione | N + C | Strato composto + zona di diffusione | Resistenza all'usura, al grippaggio e possibilità di migliorare la resistenza alla corrosione. |
| Carbonitrurazione | C + N | Strato arricchito con C e N, quindi indurito | Strato duro dopo l'indurimento |
La borurazione è un processo di trattamento termochimico che prevede la saturazione per diffusione della superficie del materiale con boro. Nel caso dell'acciaio, porta principalmente alla formazione di boruri di ferro molto duri. Fe₂B e FeB.
Lo strato più desiderabile in molte applicazioni è uno strato monofase. Fe₂B, garantendo un'elevatissima resistenza all'abrasione con una minore fragilità rispetto a uno strato contenente una quantità significativa di FeB.
Il vantaggio più importante della perforazione è la possibilità di ottenere durezza e resistenza all'usura abrasiva eccezionalmente elevateIl processo viene quindi utilizzato in componenti di macchinari che operano in condizioni abrasive particolarmente severe.
Allo stesso tempo, l'elevata durezza dei boruri è associata alla loro limitata plasticità. Pertanto, una corretta progettazione dello strato richiede il controllo del suo spessore, della composizione di fase e delle proprietà del substrato.
La perforazione non deve essere equiparata a carburazione, nitrurazione o nitrocarburazione. Ciascuno di questi processi utilizza un meccanismo diverso per modellare lo strato superficiale e consente di ottenere proprietà funzionali differenti.
Metodi di trattamento termico e termochimico dell'acciaio
La borurazione è solo uno dei processi utilizzati per modificare la microstruttura e le proprietà dell'acciaio. A seconda dell'effetto desiderato, si utilizzano anche processi di normalizzazione, distensione, indurimento, rinvenimento, ecc., nonché processi termochimici come la carburazione, la nitrurazione e altri.
Metodi di trattamento termico dell'acciaio
- Acciaio normalizzato – affinamento della grana e unificazione della microstruttura.
- Wyżarzanie odprężające – riduzione delle tensioni residue.
- Rammollimento dell'acciaio – riduzione della durezza e miglioramento della suscettibilità a ulteriori lavorazioni.
- Ricottura completa – austenitizzazione e raffreddamento lento.
- Ricottura isotermica – trasformazione effettuata mantenendo una temperatura opportunamente selezionata.
- Ricottura a sfera – sferoidizzazione – cambiamento nella morfologia della cementite o di altri carburi.
- ricottura di ricristallizzazione – eliminazione degli effetti della compressione e ripristino della plasticità.
- ricottura omogeneizzante – riduzione della segregazione e omogeneizzazione della composizione del materiale.
- Indurimento e trattamento termico – modellare la microstruttura e le proprietà mediante indurimento e rinvenimento.
- Acciaio temprato – modifica controllata delle proprietà dell'acciaio dopo la tempra.
- Tempra a induzione – riscaldamento a induzione superficiale e raffreddamento rapido.
- Indurimento a fiamma – indurimento superficiale dopo riscaldamento localizzato con una fiamma.
- Sovrasaturazione – ottenere una soluzione solida sovrasatura mediante un opportuno ciclo termico.
- Invecchiamento – separazione di fase controllata che porta al rafforzamento del materiale.
Metodi di trattamento termochimico dell'acciaio
- Nitrurazione dell'acciaio – arricchimento per diffusione dello strato superficiale con azoto.
- Acciaio cementato – arricchimento per diffusione della superficie con carbonio.
- Carbonitrurazione – arricchimento simultaneo dello strato superficiale con carbonio e azoto.
- Nitrocarburazione / nitrocarburazione – arricchimento dello strato principalmente con azoto e carbonio.
- Perforazione – saturazione per diffusione della superficie con boro.
- Cromatura a diffusione – arricchimento per diffusione dello strato con cromo.
- Alluminizzazione per diffusione – arricchimento per diffusione dello strato in alluminio.