ITMI980131A1 - PROCEDURE TO PROVIDE DIRECT PROTECTION AGAINST WEAR CORROSION TO METAL PIECES - Google Patents
PROCEDURE TO PROVIDE DIRECT PROTECTION AGAINST WEAR CORROSION TO METAL PIECESInfo
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Abstract
Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale DESCRIPTION of the industrial invention
La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per conferire una protezione diretta contro la corrosione ad usura a pezzi metallici, in particolare senza produrre materiali inquinanti. The present invention relates to a process for conferring direct protection against wear corrosion on metal parts, in particular without producing polluting materials.
Sono noti procedimenti e trattamenti per la realizzazione di una protezione contro la corrosione su pezzi metallici in genere, quali ad esempio i procedimenti descritti nei brevetti anteriori FR 2 672 059, US 5.346.560 e GB 2298 434. Processes and treatments are known for providing protection against corrosion on metal parts in general, such as for example the processes described in the prior patents FR 2 672 059, US 5,346,560 and GB 2298 434.
In generale, questi sistemi prevedono la produzione di strati di magnetite sull'acciaio che si intende proteggere. Questi procedimenti noti utilizzano bagni di sale ad immersione in presenza di cianuri, cianati ed una post ossidazione. In general, these systems involve the production of layers of magnetite on the steel to be protected. These known processes use immersion salt baths in the presence of cyanides, cyanates and post oxidation.
Ad esempio, il brevetto francese 2 672 059 riporta come sistemi o trattamenti noti e disponibili per l’aumento della tenuta a corrosione di pezzi metallici i bagni di sale o ambienti con atmosfera ionizzata ossidante (ambienti ionici-plasma) , in particolare alla pagina 2 della descrizione. For example, the French patent 2 672 059 reports salt baths or environments with an oxidizing ionized atmosphere (ionic-plasma environments) as known and available systems or treatments for increasing the corrosion resistance of metal parts, in particular on page 2 of the description.
In questo modo non è possibile la realizzazione di una barriera che resiste ad usura ed a corrosione particolarmente efficace e resistente, soprattutto è limitata in dimensione e geometria. La barriera viene infatti ottenuta facendo ricorso ad immersione delle parti metalliche da trattare in bagni di sale fusi contenenti carbonati - nitruri - idrossidi e metalli alcalini ossigenati (per fase di ossidazione). In this way it is not possible to create a barrier that resists wear and corrosion that is particularly effective and resistant, above all it is limited in size and geometry. The barrier is in fact obtained by resorting to immersion of the metal parts to be treated in molten salt baths containing carbonates - nitrides - hydroxides and oxygenated alkali metals (for oxidation phase).
La morfologia degli strati protettivi così ottenuti è però di scarsa compattezza per l'elevata presenza di pori (fino al 50%). Tale presenza di pori richiede attualmente, per una perfetta coibentazione, una saturazione con resine polimeriche o cere che siano in grado di chiudere tali porosità; altrimenti sono presenti vie preferenziali che determinano l'innesco della corrosione. The morphology of the protective layers thus obtained is however of poor compactness due to the high presence of pores (up to 50%). For a perfect insulation, this presence of pores currently requires saturation with polymeric resins or waxes that are able to close such porosities; otherwise there are preferential routes that determine the initiation of corrosion.
I mezzi termochimici, sopra citati e sino ad ora impiegati, non sono in grado di realizzare uno spessore a composizione chimica definita e costante. The thermochemical means, cited above and used up to now, are not capable of achieving a thickness with a defined and constant chemical composition.
Protezioni siffatte sono particolarmente deboli e poco efficaci nella protezione da corrosione specialmente in ambiente acquosi contenenti sale, da immersione in soluzioni di leghe leggere fuse e presentano una ridottissima bagnabilità abbinata a strati congiuntamente sottoposti ad indurimento per precipitazione di nitruri. Such protections are particularly weak and not very effective in protecting against corrosion, especially in aqueous environments containing salt, from immersion in solutions of fused light alloys and have a very low wettability combined with layers jointly subjected to hardening by precipitation of nitrides.
Inoltre, i limiti di questi procedimenti e trattamenti noti sono considerevoli e riguardano anche, in particolare, le dimensioni degli elementi o prodotti in acciaio da sottoporre a trattamento. Infatti tramite i citati procedimenti si possono trattare unicamente prodotti a ridotte dimensioni e a geometria semplice senza cavità o dotati di fori profondi . Furthermore, the limits of these known processes and treatments are considerable and also concern, in particular, the dimensions of the steel elements or products to be treated. In fact, through the aforementioned processes it is possible to process only products with reduced dimensions and simple geometry without cavities or with deep holes.
Inoltre si devono segnalare i rilevanti limiti e problemi ambientali che derivano in termini dì stoccaggio e smaltimento di composti salini ad elevate emissioni ed esalazioni tossiche che derivano e si sviluppano dai procedimenti noti. Furthermore, the relevant environmental limits and problems that arise in terms of storage and disposal of saline compounds with high toxic emissions and exhalations that derive and develop from known processes must be pointed out.
Scopo della presente invenzione è quello di individuare un procedimento che consenta di risolvere i problemi tecnici sopra citati. The object of the present invention is that of identifying a process which allows to solve the aforementioned technical problems.
Questo scopo secondo la presente invenzione viene raggiunto realizzando un procedimento per conferire una protezione diretta contro la corrosione ad usura a pezzi metallici come esposto nella rivendicazione 1 nelle successive rivendicazioni. This object according to the present invention is achieved by providing a process for conferring direct protection against wear corrosion on metal parts as set forth in claim 1 in the subsequent claims.
Le caratteristiche ed i vantaggi di un procedimento per conferire una protezione diretta contro la corrosione a pezzi metallici secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa. The characteristics and advantages of a process for conferring direct protection against corrosion to metal parts according to the present invention will become more evident from the following, exemplary and non-limiting description.
In un procedimento per conferire una protezione diretta contro la corrosione a pezzi metallici secondo la presente invenzione, come si vedrà in dettaglio nel seguito, si realizza uno strato di magnetite pura per almeno i primi 3-5 |im sulla superficie di un pezzo metallico da trattare, ad esempio su un acciaio da utensili o da bonifica e su acciai basso legati nonché su lamiere. In a process for conferring direct protection against corrosion to metal pieces according to the present invention, as will be seen in detail below, a layer of pure magnetite is made for at least the first 3-5 µm on the surface of a metal piece to be treat, for example on tool or tempering steel and on low alloy steels as well as on sheet metal.
Si deve sottolineare che il processo non richiede alcuna preventiva preparazione particolare dei pezzi da trattare ed inoltre che lo strato di ossido che si realizza viene prodotto senza rilascio o produzione di alcun residuo tossico o inquinante. It must be emphasized that the process does not require any particular prior preparation of the pieces to be treated and furthermore that the oxide layer that is produced is produced without the release or production of any toxic or polluting residue.
Il procedimento per conferire una protezione diretta contro la corrosione a pezzi metallici secondo la presente invenzione è un procedimento che in modo nuovo è di tipo gassoso. E questo fatto consente di eliminare ogni restrizione geometrica e/o dimensionale poiché la convezione porta le specie reagenti a contatto con tutta la superficie del pezzo da trattare interessata alla protezione. The process for conferring direct protection against corrosion to metal pieces according to the present invention is a process which in a new way is of the gaseous type. And this fact allows to eliminate any geometric and / or dimensional restriction since the convection brings the reactant species into contact with the whole surface of the piece to be treated interested in the protection.
L'invenzione in particolare permette la applicazione di uno strato di ossido di Fe, Fe3O4, anche su particolari di lunghezza fino a 10 metri in verticale o di diametro di 2.5 metri. In particular, the invention allows the application of a layer of Fe oxide, Fe3O4, even on parts with a length of up to 10 meters vertically or with a diameter of 2.5 meters.
I gas residui del procedimento sono convogliati ad un post combustore che libera nell'ambiente unicamente N2 - H2 -02 in gas del tutto neutri. The residual gases of the process are conveyed to an afterburner which releases only N2 - H2 -02 in completely neutral gases into the environment.
Lo strato superficiale che con il procedimento dall'invenzione si produce realizza una zona di diffusione di azoto per profondità massima di 0,1 mm. Questa diffusione deve avere una percentuale in peso d'azoto inferiore al 2%, che è diversa in funzione dell'acciaio del pezzo trattato. L'azoto in questa fase diffonde attraverso il bordo grano e occupa le vacanze o zone vacanti, rappresentate da imperfezioni del reticolo cristallino. In alternativa, si ottiene un intrappolamento degli atomi di azoto negli spazi interstiziali liberi della superficie del pezzo da trattare. The surface layer which is produced with the process of the invention realizes a nitrogen diffusion zone for a maximum depth of 0.1 mm. This diffusion must have a percentage by weight of nitrogen of less than 2%, which is different according to the steel of the treated piece. Nitrogen at this stage diffuses across the grain boundary and occupies the vacant or vacant areas represented by crystal lattice imperfections. Alternatively, an entrapment of the nitrogen atoms in the free interstitial spaces of the surface of the piece to be treated is obtained.
La temperatura a cui avviene questa prima fase del procedimento varia tra 480 - 505°C per acciai da bonifica, e tra 500 - 525°C per acciai da utensili. The temperature at which this first phase of the procedure takes place varies between 480 - 505 ° C for quenched and tempered steels, and between 500 - 525 ° C for tool steels.
La concentrazione in peso d'azoto decresce poi gradualmente verso l'interno della superficie per quasi annullarsi a profondità superiori a 0,1 mm. La durata di questa prima fase è al massimo di 10 ore. The concentration by weight of nitrogen then gradually decreases towards the inside of the surface to almost vanish at depths greater than 0.1 mm. The duration of this first phase is a maximum of 10 hours.
Successivamente sono variati sia la composizione della miscela gassosa, con introduzione di una atmosfera ossidante, sia i valori di temperatura. Subsequently, both the composition of the gaseous mixture, with the introduction of an oxidizing atmosphere, and the temperature values changed.
In questa seconda fase, la diffusione d'azoto è interrotta completamente dall’azione antagonista dell'ossigeno dell'atmosfera ossidante nei confronti degli atomi di ferro della superficie. In this second phase, the nitrogen diffusion is completely interrupted by the antagonistic action of the oxygen of the oxidizing atmosphere towards the iron atoms of the surface.
Si ottengono strati di Fe3O4 pari al 95 - 99%, che quindi sono praticamente esenti da ossidi FeO/Fe2O3 a maggior concentrazione d'ossigeno. Infatti, questi ultimi ossidi sarebbero particolarmente sconvenienti in veste protettiva ed anticorrosione in quanto ossidi ad elevata velocità di crescita e quindi di facile sfaldatura. 95 - 99% Fe3O4 layers are obtained, which are therefore practically free from FeO / Fe2O3 oxides with a higher oxygen concentration. In fact, the latter oxides would be particularly inconvenient in a protective and anti-corrosion role as they are oxides with a high growth rate and therefore easy to cleave.
Secondo l'invenzione si formano a temperatura compresa tra 505 e 545°C spessori di ossido di ferro Fe304 compresi tra 2 e 4 μm contenenti percentuali in peso d'ossigeno variabili tra il 25% e il 30%. According to the invention, thicknesses of iron oxide Fe304 comprised between 2 and 4 μm are formed at temperatures between 505 and 545 ° C, containing percentages by weight of oxygen varying between 25% and 30%.
Fattore di grande importanza è la stabilità delle concentrazioni sopra riportate di ossigeno all'interno dell'acciaio ed all'interno di tutto lo spessore formato. A factor of great importance is the stability of the above mentioned concentrations of oxygen inside the steel and inside the entire thickness formed.
La transizione dallo strato sottostante è generata attraverso una brusca discesa della percentuale di ossigeno da 25 - 30% a zero su una ampiezza massima di circa 1 μm. The transition from the underlying layer is generated through a sharp drop in the percentage of oxygen from 25 - 30% to zero over a maximum amplitude of about 1 μm.
L'integrazione quindi di uno strato a spiccata stabilità chimica, che ne fa un composto stabile in una matrice d'acciaio precedentemente indurita da una diffusione d'azoto per circa 0,1 non, rende disponibile l'effetto barriera e coibentazione di una pellicola protettiva esercitata direttamente dall'interno dell'acciaio. Therefore, the integration of a layer with a strong chemical stability, which makes it a stable compound in a steel matrix previously hardened by a nitrogen diffusion for about 0.1 not, makes available the barrier and insulation effect of a film. protection exercised directly from the inside of the steel.
E' in pratica come avere due diversi composti integrati uno nell'altro esercitanti un'azione di mutuo consolidamento. Si ha infatti, l'acciaio sull'ossido, rendendolo compatto e supportato, nonché l'ossido sull'acciaio proteggendolo e coibentandolo. In practice, it is like having two different compounds integrated into each other exercising a mutual consolidation action. In fact, there is steel on the oxide, making it compact and supported, as well as oxide on the steel protecting and insulating it.
Questo permette di abbinare ad una barriera chimica, una resistenza a ossidazione ad alte temperature con caratteristiche di compattezza, di resistenza ad usura, abrasione ed incollaggio (usura adesiva) . This makes it possible to combine a chemical barrier with resistance to oxidation at high temperatures with characteristics of compactness, resistance to wear, abrasion and gluing (adhesive wear).
Infatti, la repellenza della magnetite a tutte le soluzioni liquide in generale le viene conferita dalla compattezza e grado di compressione degli strati più superficiali. In fact, the repellence of magnetite to all liquid solutions in general is given to it by the compactness and degree of compression of the more superficial layers.
Tale compressione deriva dalla differenza di passi reticolari dell'ossido rispetto alla cella del ferro (cubico a corpo centrato). Se il rapporto (tra il passo reticolare ferro e il passo reticolare dell'ossido) è inferiore a 1 chiaramente la superficie tende a comprimere gli strati inferiori; in questo modo se la fragilità di questi strati stessi non è così elevata da criccare e sfogliare abbiamo un'azione meccanica di chiusura verso qualsiasi ambiente esterno corrosivo o soluzione alligante o miscele di lega leggera (Al, Pb, ottone) stesse. This compression derives from the difference in lattice steps of the oxide with respect to the iron cell (body-centered cubic). If the ratio (between the iron reticular pitch and the oxide reticular pitch) is less than 1, the surface clearly tends to compress the lower layers; in this way, if the fragility of these layers is not so high as to crack and peel, we have a mechanical closing action towards any corrosive external environment or alloying solution or light alloy mixtures (Al, Pb, brass) themselves.
Si deve sottolineare che la magnetite ha le seguenti caratteristiche più interessanti ai fini della protezione da corrosione ambientale e/o da metalli fusi: It must be emphasized that magnetite has the following most interesting characteristics for the purposes of protection from environmental corrosion and / or from molten metals:
bassa conducibilità elettrica che riduce la migrazione di specie attive ionizzate che comportano l'ulteriore accrescimento dello strato d'ossido con conseguente suo sbriciolamento; low electrical conductivity which reduces the migration of ionized active species which lead to the further growth of the oxide layer with consequent crumbling;
- elevata energia di legame che richiede quantità di calore maggiore per destabilizzare la superficie E=KT resiste fino a temperature di 900°C. Ciò fa in modo che l'impiego ad alta temperatura sia consentito, nonostante che gli impieghi dove la temperatura di esercizio è elevata siano spesso accompagnati da fenomeni degenerativi quali l'usura e l'abrasione; - a questo punto diviene interessante anche un'altra caratteristica della magnetite, quale la sua compattezza e stabilità chimica che si traduce in una elevata durezza (850HV = 75 HRC); - high bonding energy that requires a greater amount of heat to destabilize the surface E = KT resists up to temperatures of 900 ° C. This ensures that use at high temperatures is allowed, despite the fact that uses where the operating temperature is high are often accompanied by degenerative phenomena such as wear and abrasion; - at this point another characteristic of magnetite also becomes interesting, such as its compactness and chemical stability which results in a high hardness (850HV = 75 HRC);
la struttura reticolare esagonale conferisce ulteriormente la possibilità dì uno slittamento parallelo dei piani atomici uno sull'altro; dove si hanno piani a maggior compattezza atomica (Closed Packet) . the hexagonal reticular structure further confers the possibility of a parallel sliding of the atomic planes one on the other; where there are plans with greater atomic compactness (Closed Packet).
Ciò che questa invenzione ha prodotto è stata la realizzazione di uno strato di magnetite in ambiente gassoso che porta alla conversione in ossido di uno spessore di 2-4 μm precedentemente indurito per diffusione d'azoto. What this invention produced was the realization of a layer of magnetite in a gaseous environment which leads to the conversion into oxide of a thickness of 2-4 μm previously hardened by nitrogen diffusion.
Le soluzione tecniche ed i grandi vantaggi sono di poter proteggere dall'interno, senza la applicazione di film o copertura alcuna, il prodotto in acciaio senza limiti di dimensioni e/o di forma. The technical solutions and the great advantages are to be able to protect the steel product from the inside, without the application of film or cover, without limits of size and / or shape.
Ad esempio, il procedimento dell'invenzione si genera attraverso un controllo progressivo e sistematico dei parametri di processo in funzione dell'analisi chimica di un quantometro differenziale GDS verso la profondità abbinata a controlli più sporadici coi raggi X. For example, the process of the invention is generated through a progressive and systematic control of the process parameters as a function of the chemical analysis of a differential quantometer GDS towards the depth combined with more sporadic X-ray checks.
Un ulteriore parametro da tenere in conto è il rapporto tra i coefficienti di espansione termica lineare dell'ossido e del metallo ad esso contiguo. Per esempio si passa ad un valore FeO/Fe di 1,25 fino a temperature di 1000°C ad un valore Fe203/Fe di 1,03. A further parameter to be taken into account is the ratio between the linear thermal expansion coefficients of the oxide and the metal adjacent to it. For example, a FeO / Fe value of 1.25 is passed up to temperatures of 1000 ° C at a Fe203 / Fe value of 1.03.
Più vicino a 1 sarà questo valore più sicuro sarà l'abbinamento ossido - metallo anche in presenza di stress e tensioni termiche quali quelle in esercizio per la pressofusione e lo stampaggio a caldo . The closer to 1 this value is, the safer the oxide - metal combination will be even in the presence of thermal stresses and tensions such as those used for die casting and hot forging.
Si è in precedenza evidenziato che i mezzi termochimici fino ad ora impiegati hanno uno spessore a composizione chimica ben diversa da quella definita da percentuale in peso di ossigeno tra 21 e 25% e costante sui primi 4 - 5 μm come nella presente invenzione . It has previously been pointed out that the thermochemical means used up to now have a thickness with a chemical composition that is very different from that defined by the percentage by weight of oxygen between 21 and 25% and constant on the first 4 - 5 μm as in the present invention.
Il procedimento dell'invenzione produce questa barriera ad identità chimica di composizione definita e costante senza sconfinamenti in composizione di transizione con il metallo base. The process of the invention produces this chemical identity barrier of defined and constant composition without encroaching on the transition composition with the base metal.
Con il procedimento dell'invenzione non vi sono porosità in quanto l'arricchimento in specie gassose avviene in modo molto diluito così da non determinare mai pressioni localizzate elevate. Infatti le pressione localizzate elevate, per effetto della coalescenza di atomi gassosi all'interno della matrice ospite, sarebbero tali da superare il carico di rottura dell'acciaio e produrre quindi un'apertura verso l'esterno. With the process of the invention there are no porosities since the enrichment in gaseous species occurs in a very diluted way so as to never determine high localized pressures. In fact, the high localized pressures, due to the coalescence of gaseous atoms inside the host matrix, would be such as to overcome the breaking load of the steel and therefore produce an opening towards the outside.
L'estensione di quanto sopra a particolari di qualsiasi dimensione (fino a 11 mt in altezza) e forma è condizione chiara per cui si chiede la brevettazione della formazione di uno strato di magnetite Fe304 in via gassosa cioè utilizzando impianti a riscaldo convettivo all'interno dei quali vi è una leggera sovrapressione di 25 - 30 mbar e l'acciaio funge da catalizzatore delle reazioni. The extension of the above to details of any size (up to 11 meters in height) and shape is a clear condition for which the patenting of the formation of a layer of Fe304 magnetite in gaseous way is requested, i.e. using convective heating systems inside of which there is a slight overpressure of 25 - 30 mbar and the steel acts as a reaction catalyst.
ESEMPIO 1 EXAMPLE 1
Abbiamo trattato campioni in acciaio X38CrMoV 5.1 in una prima fase tramite diffusione per un tempo di 10 ore a temperatura di 525 °C. We treated X38CrMoV 5.1 steel samples in a first phase by diffusion for a time of 10 hours at a temperature of 525 ° C.
In tal modo si è realizzato uno spessore di diffusione di N2 per circa 100 μm. In this way, a diffusion thickness of N2 for about 100 μm was achieved.
Poi, abbiamo sospeso la prima fase della diffusione di azoto ed introdotto in una seconda fase una atmosfera contenente ossigeno per un tempo di 5-6 ore a temperatura di 545. Then, we suspended the first phase of nitrogen diffusion and introduced in a second phase an atmosphere containing oxygen for a time of 5-6 hours at a temperature of 545.
In tal modo si è realizzato uno spessore di Fe3O4 per circa 3 μm. In this way, a thickness of Fe3O4 of about 3 μm was achieved.
Si è cosi ottenuto un campione di barra avente caratteristiche di perfetta resistenza ad incollaggio e conseguentemente corrosione da Al liquido a 700 °C. Qualora si fosse trattato tale barra con un metodo noto, quale ad esempio quello secondo il brevetto francese 2672 059, si sarebbe sottoposto la barra ad un bagno di sale per un tempo di 10 ore. A bar sample was thus obtained having characteristics of perfect bonding resistance and consequently liquid Al corrosion at 700 ° C. If this bar had been treated with a known method, such as that according to French patent 2672 059, the bar would have been subjected to a salt bath for a time of 10 hours.
Poi si sarebbe trattato la barra con bagno ossidante. Si sarebbe ottenuto un campione di barra avente caratteristiche di fusione della superficie con formazione di fasi intermetalliche Fe-Al a veloce azione disgregante della sottostante matrice. Then the bar would be treated with an oxidizing bath. A bar sample would have been obtained having melting characteristics of the surface with the formation of Fe-Al intermetallic phases with a fast disintegrating action of the underlying matrix.
Sono quindi evidenti i vantaggi ottenuti con il procedimento secondo la presente invenzione poiché si ha un netto aumento della preservazione della superficie verso l'azione combinata usura-corrosione provocata da leghe di Al con silicati in sospensione. The advantages obtained with the process according to the present invention are therefore evident since there is a net increase in the preservation of the surface towards the combined wear-corrosion action caused by Al alloys with suspended silicates.
Infatti, l'ossidazione secondo la presente invenzione non compromette le caratteristiche precedentemente acquisite in termini di resistenza ad usura e grippaggio; anzi, soprattutto in riferimento a quest'ultima proprietà, migliora notevolmente il coefficiente d'attrito e plasticità di strati duri grazie alla morfologia del reticolo cristallino esagonale. In fact, the oxidation according to the present invention does not compromise the previously acquired characteristics in terms of resistance to wear and seizure; on the contrary, especially in reference to this latter property, it considerably improves the coefficient of friction and plasticity of hard layers thanks to the morphology of the hexagonal crystal lattice.
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