Post oxidation process with nitrogen protoxide in a controlled atmosphere of nitrided steels 42CrMo4 and 20MnCr5

The oxidation of a steel surface is a surface treatment that is often used as a complementary treatment to improve the corrosion resistance and the esthetical aspect of a component surface, the goal is that of growing an oxide layer composed by magnetite Fe3O4, which gives a color in the range of dark gray and black, together with a corrosion resistance comparable to the AISI 316 with the plus of having higher pitting potential to perform in conditions with higher chloride concentrations, the usual process consist of performing a case hardening treatment such as gaseous nitriding, which will increase the surface hardness, typical components that require such treatment are gears, crankshafts, camshafts, cam followers, valve parts, extruder screws, die-casting tools, forging dies, extrusion dies, injectors and plastic-mold tools. The present research was conducted within COLMEGNA SpA, several oxidation cycles at diverse temperatures and atmosphere compositions were performed on nitrided steels 42CrMo4 and 20MnCr5, the oxidation cycles were performed at three representative temperatures 350oC, 450oC and 520oC, for each temperature three atmosphere compositions were defined by varying the oxidizing agent N2O volume percentage within the retort, the chosen nitrogen protoxide volume percentage values were 3%, 5% and 10% for a total of 9 oxidation cycles with an atmosphere composed by nitrogen protoxide and gaseous nitrogen as a dilutant. Analogously the cycles at 450oC and 520oC were performed again, keeping the nitrogen protoxide volume percentage values in the retort, but introducing a 4% volume percentage of gaseous ammonia during the oxidation process, the adding of ammonia gas into the retort during the oxidation was meant to see the effect upon the oxidation process, particularly the screening phenomena that occurs when the surfaces that are about to be oxidize are too close to another, what happens is that the oxidation does not occur uniformly throughout the surface, but instead spots are developed leaving the substrate material exposed to the environment. The nitriding process that was performed on the samples of both materials prior to the oxidation step, was a nitriding cycle that yield a compound zone thickness ≈15μm and an effective depth type NT3 (0.25-0.35 mm according to the standard UNI 5478:1999 Trattamenti termici dei materiali metallic – Nitrurazione)

L'ossidazione di una superficie in acciaio con ossidanti gassosi è un trattamento superficiale che viene spesso utilizzato per migliorare la resistenza alla corrosione e l'aspetto estetico della superficie del componente. Il processo di solito consiste nell'effettuare un trattamento di cementazione come la nitrurazione gassosa, che consentirà di aumentare la durezza superficiale, componenti tipiche che richiedono tale trattamento sono ingranaggi, alberi a gomito, alberi a camme, perni folli a rullini, parti di valvole, viti di estrusione, pressofusione strumenti, forgiatura stampi, matrici di estrusione, iniettori e di plastica stampi strumenti. Quindi l'obiettivo è quello di crescere uno strato di ossido composto da magnetite Fe3O4, che conferisce un colore nell'intervallo grigio scuro e nero, che normalmente è altamente passiva, sono stati condotti cicli di nitrossidazione per ottenere i migliori livelli di magnetite sono stati in grado di mostrare una resistenza alla corrosione paragonabile a AISI 316, con il plus di avere un più alto potenziale pitting anche con alte concentrazioni di cloruri. La ricerca è stata condotta all'interno Colmegna SpA, cicli di ossidazione diversi a diverse temperature e composizioni atmosferiche sono state eseguite su acciai nitrurati 42CrMo4 e 20MnCr5, i cicli di ossidazione sono stati eseguiti a tre temperature rappresentativi 350oC, 450oC e 520oC, per ciascuna temperatura tre composizioni atmosfera stati definiti variando la percentuale di volume agente ossidante N2O all'interno del forno, le scelte di protossido di azoto con valori percentuali di volume, era 3%, 5% e 10% con un'atmosfera composta da protossido di azoto e l'azoto gassoso come gas diluente. I cicli a 450oC e 520oC sono stati nuovamente eseguiti anche mantenendo i valori percentuali di protossido di azoto di volume nel forno, ma con l'introduzione di una percentuale di volume 4% di ammoniaca gassosa durante il processo di ossidazione, l'aggiunta di gas ammoniaca all’interno del forno durante l'ossidazione era destinato a vedere l'effetto sul processo di ossidazione, in particolare fenomeni di screening che si verifica quando le superfici che stanno troppo vicini ad un altro. Ciò che accade è che l'ossidazione non avviene in modo uniforme sulla superficie, ma invece macchie sono sviluppati lasciando il materiale substrato esposto all'ambiente; con ammoniaca gassosa questo effetto può superarsi parzialmente. Il processo di nitrurazione che è stata eseguito su campioni di entrambi i materiali prima della fase di ossidazione, è stato un ciclo che produce una zona di spessore composto di circa 15 micrometri e di tipo profondità efficace NT3 (0,25-,35 mm secondo la norma UNI 5478: 1999 Trattamenti termici dei Materiali metallici - Nitrurazione)