Processo di diffusione di Nichel e Cromo in Ferro e leghe di Ferro

Abstract

L'elaborato si concentra sullo studio del processo di diffusione di Nichel e Cromo in campioni a base Ferro-Silicio in modo tale da ottenere una regione intermedia che risulti non magnetica, ovvero austenitica. I campioni, in seguito ai processi di nichelatura e cromatura, sono stati trattati termicamente in un forno alla temperatura fissa di 1000 °C per intervalli di tempo variabili per osservare la diffusione dei suoi componenti. Sono state eseguite due analisi sui campioni: una prima analisi al microscopio ottico (LOM), per accertarsi delle condizioni dei campioni e per eseguire delle misurazioni manuali dello spessore degli strati di nichel e della profondità raggiunta dal fronte di diffusione visibile, e una al microscopio elettronico a scansione (SEM) in grado di eseguire sia un'analisi composizionale lineare per ottenere informazioni sulla distribuzione elementare all’interno dei campioni sia una line scan EDS per ottenere profili di intensità degli elementi lungo una direzione definita. Tramite un confronto delle due analisi, è possibile ricavare i valori delle interfacce e delle distanze di penetrazione del nichel nelle quali assume un valore di concentrazione pari al 22%, valore minimo per il quale la lega passa alla regione austenitica (secondo il diagramma di Schaeffler) con valori noti di concentrazione degli elementi ferritizzanti. I risultati ottenuti mettono in risalto un andamento logaritmico delle distanze con il fronte di diffusione che penetra progressivamente in profondità all'aumentare dei tempi di trattamento; purtroppo, a tempi più lunghi, lo studio ha confermato la presenza di problematiche, quali la comparsa di porosità di Kirkendall e della fase intermetallica del FeNi₃, che ostacolano il processo diffusivo e compromettono lo stato campioni. Nella parte conclusiva dell'elaborato vengono suggerite delle possibili soluzioni e trattamenti alternativi per evitare le problematiche citate sopra.

The present work focuses on the study of the diffusion process of nickel and chromium in iron–silicon based samples in order to obtain an intermediate region that is non-magnetic, i.e. austenitic. After the nickel and chromium plating processes, the samples were heat-treated in a furnace at a constant temperature of 1000 °C for different time intervals to observe the diffusion of their components. Two analyses were performed on the samples. The first one was carried out using a light optical microscope (LOM), in order to assess the condition of the samples and to perform manual measurements of the nickel layer thickness and of the penetration depth reached by the visible diffusion front. The second analysis was performed using a scanning electron microscope (SEM), which allowed both a linear compositional analysis to obtain information on the elemental distribution within the samples and an EDS line scan to obtain elemental intensity profiles along a defined direction. By comparing the results of the two analyses, it was possible to determine the values of the interfaces and the nickel penetration distances at which the concentration reaches 22%, which represents the minimum value for the alloy to enter the austenitic region according to the Schaeffler diagram, given known concentrations of ferrite-stabilizing elements. The obtained results highlight a logarithmic trend of the penetration distances, with the diffusion front progressively moving deeper as the treatment time increases. However, for longer treatment times, the study confirmed the presence of several issues, such as the formation of Kirkendall porosity and the FeNi₃ intermetallic phase, which hinder the diffusion process and compromise the condition of the samples. In the final part of the work, possible solutions and alternative treatments are proposed to mitigate the aforementioned issues.