Introduzione ai processi di trattamento delle superfici metalliche

Il trattamento superficiale dei metalli si riferisce a processi che utilizzano tecniche moderne di fisica, chimica, metallurgia e trattamento termico per alterare le condizioni superficiali e le proprietà dei componenti. Questi processi hanno lo scopo di ottimizzare la combinazione di materiali di superficie e di nucleo per soddisfare le specifiche prestazionali richieste.

Funzioni del trattamento superficiale:

Migliora la resistenza alla corrosione superficiale e la resistenza all'usura, rallenta, elimina e ripara i cambiamenti e i danni della superficie.

Fornire materiali ordinari con superfici che hanno funzioni speciali.

Risparmia energia, riduci i costi e migliora l’impatto ambientale.

Classificazione dei processi di trattamento della superficie metallica:

Trattamento superficiale: questo metodo prevede l'alterazione della morfologia superficiale del materiale, della composizione della fase, della microstruttura, dello stato di difetto e dello stato di stress attraverso processi fisici o chimici, ottenendo le proprietà superficiali richieste. La composizione chimica del materiale rimane invariata.

Tecnologia di modifica della superficie: questo metodo utilizza metodi fisici per introdurre materiali aggiuntivi nel substrato, formando uno strato legato per ottenere le proprietà superficiali desiderate.

Tecnologia di legatura superficiale: questo processo prevede l'utilizzo di metodi chimici per far reagire i materiali aggiunti con il substrato, formando uno strato di trasformazione per ottenere le proprietà superficiali desiderate.

Tecnologia di rivestimento di conversione superficiale: questo processo prevede l'applicazione di metodi fisici e chimici per creare rivestimenti, come placcatura o rivestimento, sul substrato per ottenere le proprietà superficiali richieste, senza coinvolgere il substrato nella formazione del rivestimento.

I. Tecnologie di modificazione della superficie

Indurimento superficiale L'indurimento superficiale è un metodo di trattamento termico in cui la superficie dell'acciaio viene rapidamente riscaldata alla temperatura di trasformazione dell'austenite e quindi raffreddata, senza modificare la composizione chimica dell'acciaio o la struttura del nucleo. I principali metodi di indurimento superficiale comprendono l'indurimento alla fiamma e il riscaldamento ad induzione, utilizzando fonti di calore come fiamme ossiacetileniche o ossipropaniche.

Indurimento superficiale al laser L'indurimento superficiale al laser prevede la focalizzazione di un raggio laser sulla superficie del pezzo. In un periodo molto breve, lo strato superficiale viene riscaldato al di sopra della sua temperatura di trasformazione o punto di fusione, seguito da un rapido raffreddamento. Questo processo indurisce e rinforza la superficie. La zona interessata dal calore è piccola, la deformazione è minima e il processo è facile da eseguire. Viene utilizzato principalmente per il rinforzo localizzato di componenti come matrici per stampaggio, alberi a gomiti, camme, alberi a camme, alberi scanalati, guide per strumenti di precisione, utensili in acciaio ad alta velocità, ingranaggi e canne dei cilindri del motore.

Pallinatura La pallinatura prevede lo sparo di un gran numero di pallini ad alta velocità sulla superficie del pezzo in lavorazione, simili a piccoli martelli che colpiscono la superficie metallica. Ciò provoca una deformazione plastica negli strati superficiali e sotterranei, rafforzando così il componente. Vantaggi: aumenta la resistenza meccanica, la resistenza all'usura, la resistenza alla fatica e la resistenza alla corrosione. Viene utilizzato per la finitura opaca della superficie, la rimozione di incrostazioni di ossido e l'eliminazione delle tensioni residue in fusioni, forgiature e saldature.

Lucidatura a rulli La lucidatura a rulli prevede l'applicazione di pressione con rulli duri o strumenti di lucidatura sulla superficie rotante del pezzo in lavorazione a temperatura ambiente, che deforma plasticamente e indurisce la superficie per ottenere una superficie liscia, lucida e rinforzata con motivi specifici. Applicazioni: adatto per componenti con forme semplici come superfici cilindriche, coniche e piatte.

Trafilatura Il trafilatura si riferisce alla forzatura del metallo attraverso uno stampo sotto una forza esterna, riducendo l'area della sezione trasversale del metallo per ottenere la forma e le dimensioni desiderate. Durante questo processo il metallo subisce una deformazione. Applicazioni: il processo può creare diverse finiture decorative come linee rette, motivi casuali, onde e motivi a spirale.

Lucidatura La lucidatura è un processo di finitura superficiale che modifica la superficie per ottenere una finitura liscia. Anche se non migliora né mantiene la precisione dimensionale, a seconda delle condizioni di pre-lavorazione, le superfici lucidate possono raggiungere valori Ra da 1,6 μm a 0 0,008 μm.

II. Tecnologie di lega superficiale

Trattamento termico chimico della superficie Il processo tipico della tecnologia di legatura superficiale è il trattamento termico chimico della superficie. In questo processo, i pezzi vengono posti in un mezzo specifico e riscaldati per consentire agli atomi attivi del mezzo di penetrare nella superficie, modificando la composizione chimica e la struttura del pezzo per migliorarne le proprietà.

Rispetto all'indurimento superficiale, il trattamento termico chimico superficiale non solo modifica la microstruttura superficiale ma ne altera anche la composizione chimica. I tipi comuni di trattamenti termici chimici includono cementazione, nitrurazione, co-diffusione multi-elemento e altri tipi di trattamenti di diffusione degli elementi. Il processo di trattamento termico chimico prevede tre fasi principali: decomposizione, assorbimento e diffusione.

Annerimento: questo è un processo in cui l'acciaio o le parti in acciaio vengono riscaldate in una soluzione di vapore d'aria o chimica per formare una pellicola di ossido nero o blu sulla superficie. Questo processo è noto anche come "bluing".

Fosfatazione: la fosfatazione comporta l'immersione di un pezzo (in acciaio, alluminio o zinco) in una soluzione di fosfatazione, sulla cui superficie si forma un rivestimento cristallino di conversione del fosfato, che è insolubile in acqua.

Anodizzazione: L'anodizzazione si riferisce principalmente al processo di anodizzazione dell'alluminio e delle sue leghe. In questo processo, le parti in alluminio vengono immerse in un bagno elettrolitico acido e sottoposte a corrente elettrica. La superficie forma un rivestimento di ossido durevole, che fornisce resistenza alla corrosione, finiture estetiche, isolamento elettrico e resistenza all'usura. Applicazioni: Comunemente utilizzato per trattamenti protettivi di componenti automobilistici e aerospaziali, nonché trattamenti decorativi per articoli casalinghi e ferramenta.

III. Tecnologie di rivestimento superficiale

Spruzzatura termica La spruzzatura termica prevede il riscaldamento di metalli o non metalli allo stato fuso e l'utilizzo di aria compressa per spruzzarli su un substrato. Questo forma un rivestimento che è saldamente legato al materiale di base e conferisce le proprietà fisiche e chimiche desiderate, come usura, corrosione e resistenza al calore, nonché isolamento elettrico. Applicazioni: utilizzato in un'ampia gamma di settori tra cui quello aerospaziale, dell'energia nucleare, dell'elettronica e altro ancora.

Rivestimento sotto vuoto Il rivestimento sotto vuoto è un processo di trattamento superficiale che prevede il deposito di pellicole sottili metalliche e non metalliche su substrati in condizioni di vuoto attraverso tecniche come evaporazione o sputtering. Vantaggi: il rivestimento sotto vuoto consente di ottenere strati sottili con eccellente adesione, rapida velocità e contaminazione minima.

Galvanotecnica La galvanica è un processo elettrochimico in cui un metallo viene depositato su un substrato da una soluzione contenente gli ioni metallici. Ad esempio, nella nichelatura, il pezzo metallico viene immerso in una soluzione di sale di nichel (NiSO4) e sottoposto a corrente continua, provocando il deposito del nichel sul pezzo. Applicazioni: comunemente utilizzato per rivestimenti sia decorativi che funzionali, come resistenza alla corrosione e miglioramento delle proprietà di usura.

Deposizione chimica da fase vapore (CVD) La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un metodo utilizzato per depositare film sottili sui materiali introducendo composti chimici gassosi che si decompongono sulla superficie del substrato. Il film risultante può essere costituito da strati metallici o compositi, a seconda del tipo di deposizione. Applicazioni: il CVD è ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico ed energetico per la produzione di rivestimenti resistenti all'usura, alla corrosione, al calore ed elettricamente conduttivi.

Physical Vapor Deposition (PVD) Il PVD è una tecnica di rivestimento sotto vuoto in cui il materiale viene vaporizzato in forma atomica o molecolare e quindi depositato su un substrato. Comprende metodi come l'evaporazione sotto vuoto, lo sputtering e la placcatura ionica. I rivestimenti PVD sono noti per la loro forte adesione, spessore uniforme e durata.

Applicazioni: i rivestimenti PVD vengono utilizzati in settori quali macchinari, aerospaziale, elettronica, ottica e industria leggera per creare film sottili con usura, corrosione, resistenza al calore e altre proprietà speciali come conduttività elettrica, isolamento e magnetismo.