FAV Seminario “Conoscere le Imprese” Proterm 12 aprile 2011 Criteri di scelta dei materiali finalizzati al Trattamento Termico. parte 2 Andrea Zanotti Gruppo Proterm - Trattamenti Termici - Calderara di Reno BO FAV Seminario “Conoscere le Imprese” Proterm 12 aprile 2011

I concetti di riferimento di PROTERM

I principi di gestione per la qualità ed il miglioramento

Schematizzazione del processo di miglioramento nella logica kaizen/PDCA

IL PROBLEMA DELLE DEFORMAZIONI Solitamente si parla di deformazioni per definire le variazioni dimensionali e di forma dei pezzi sottoposti a trattamento termico. La deformazione è un problema che ha un impatto elevato sui costi e sulla qualità. Oltre un certo valore di deformazione non è possibile portare a termine la lavorazione delle ruote dentate con la qualità richiesta per eccesso o per difetto di materiale da asportare di rettifica sulla dentatura. Un eccesso di sovrametallo sulla dentatura causa un gradino di rettifica a base dente che determina un decadimento della resistenza e lo scarto del pezzo. Se manca il sovrametallo il pezzo non può essere finito nelle tolleranze di misura prescritte e quindi viene scartato. Nei casi di pezzi finiti prima del trattamento il problema è ancora più evidente. Non è solo il trattamento termico che influenza le deformazioni, ma i fattori sono molteplici e riguardano anche altri enti aziendali: progetti, acquisti, metodi e lavorazioni per asportazione di truciolo.

FATTORI CHE INFLUISCONO SULLE DEFORMAZIONI

CONFRONTO JOMINY 20MnCr5 – ZF7 – ZF7B

PROVE QUALIFICA PROCESSO DI CARBOCEMENTAZIONE TEMPRA E DISTENSIONE SU RUOTA PER INVERTITORE MARINO

ACCOGIMENTI PER RIDURRE I PROBLEMI 1) PROGETTO Geometria: massima simmetria massima uniformità degli spessori (masse) ampi raccordi negli incroci considerare particolari necessità in trattamento termico come, ad esempio, forature per circolazione olio o per supportare i pezzi in forno. Scelta materiale: evitare materiali eccessivamente temprabili in rapporto alle dimensioni del pezzo e alle caratteristiche meccaniche richieste. impiegare materiali “standard” dedicati per l’impiego specifico. In particolare per la cementazione e tempra 16/20MnCr5 – 15CrNi6 – 18NiCrMo5/6 – 20NiCrMo2

2) MATERIALE Qualità acciaio: Acciaierie qualificate Impiego acciai calmati e ordinati in accordo con norme o specifiche tecniche anche più restrittive rispetto al massimo indicato da EN 10084 Temprabilità: banda ristretta (4-5 HRC) con il valore massimo inferiore di circa 2 HRC rispetto al massimo indicato da EN 10084 Processo di fucinatura riproducibile per mantenere costanti i requisiti che influenzano le deformazioni (dimensioni lingotto, ciclo termico, forma del semilavorato) Trattamento preliminare: austenizzazione a temperatura superiore a quella prevista per la cementazione e trasformazione isotermica; per i particolari di maggior dimensioni, dopo austenizzazione, tempra e ricottura di lavorabilità.

3) FORNO E CICLO TERMICO Temperature in forno uniforme anche in fase di riscaldamento Durante la fase di riscaldamento impostare un gradiente °C/minuto: che garantisca riproducibilità del processo indipendentemente dal peso caricato che sia tale da far raggiungere la temperatura prefissata ai pezzi contemporaneamente al forno che sia proporzionato alla massa dei pezzi Disporre i pezzi nella carica: adeguatamente supportati per evitare deformazioni causate dal peso ottimizzando la posizione (verticale, orizzontale, appeso, ecc..) con eventuali prove per qualificare il ciclo termico. adeguatamente distanziati per massimizzare uniformità in fase di riscaldo e in fase di tempra, evitando le possibili interazioni.

4) TEMPRA Tipo fluido: olio a media temprabilità a temperatura tra 60 – 90 °C olio a temprabilità limitata Drasticità elevata: per garantire le caratteristiche metallurgiche e meccaniche richieste anche su grosse sezioni Drasticità media o bassa: per contenere le deformazioni. Ecco quindi l’importanza della scelta del materiale in funzione del progetto e delle caratteristiche metallurgiche previste: buona temprabilità per ottenere buone caratteristiche meccaniche anche con oli non troppo drastici utilizzabili anche a temperature alte (cosiddetti oli caldi)

Omogeneità circolazione: le vasche devono essere costruite con dispositivi tali da ottenere omogeneità di flusso nelle varie posizioni. Le cariche in immersione determinano variazioni più o meno importanti su questo fattore, per cui si decide la posizione dei pezzi con l’obiettivo di massimizzare l’omogeneità di flusso attorno agli stessi. I sistemi di regolazione della temperatura nelle vasche devono essere adeguati. Vengono monitorate le caratteristiche chimico-fisiche dei fluidi per garantire costanza di prestazioni.

Struttura a bande, presente su un acciaio 13CrMo4 con presenza di microsegregazioni. Dalle prove di microdurezza Vickers emerge che le bande più scure, caraterizzate da una maggiore concentrazione degli elementi di lega, con struttura bainitica presentano valori di microdurezza di 306 HV0,3 valore che nelle bande più chiare, con ferrite e perlite è di 219 HV0,3 .

Risultati metallurgici che si possono ottenere su un campione con evidente bandeggiamento variando il T.T. di ricottura, in funzione del tipo di raffreddamento e del tempo di austenizzazione.

CONFRONTO TRA CEMENTAZIONE E NITRURAZIONE Mi vorrei soffermare sulle applicazioni specifiche dei trattamenti termici di CEMENTAZIONE e NITRURAZIONE. Non ritengo sia possibile o comunque sarebbe presuntuoso pensare di dare indicazioni che sanciscono in modo preciso e rigido le applicazioni più indicate per questi tipi di T.T. Qui come in tutte le applicazioni di carattere tecnico ci sono riferimenti precisi che comunque non possono prescindere da un insieme di valutazioni che devono precedere e non prescindere dall’aspetto tecnico finale da raggiungere. Oggi si devono scegliere in modo più preciso ed appropriato i vari T.T. per ottenere al minor costo possibile le caratteristiche finali ottimali. Pertanto in queste scelte dovranno essere valutate con attenzione tutte le variabili che concorrono alla realizzazione del prodotto stesso. La scelta del processo produttivo più idoneo dovrà tenere in considerazione: La conoscenza delle caratteristiche finali richieste al fine di garantire il migliore funzionamento del prodotto con specifico riferimento al tipo di sollecitazione prevista. La scelta del materiale da effettuarsi oltre che per le caratteristiche intrinseche dello stesso anche in funzione delle caratteristiche metallurgiche ottenibili in funzione del T.T. finale prescelto. Non a caso si ricorda che la cementazione è applicabile con buoni risultati qualitativi (durezza, profondità strato indurito, struttura e tenacità del cuore), sugli acciai da cementazione e che, viceversa, buoni risultati di durezza, con diverse caratteristiche del cuore, si ottengono con la nitrurazione su quasi tutti i tipi di acciaio. È altrettanto vero che per un acciaio al carbonio si può prevedere uno strato dei composti per ottenere una buona resistenza allo scorrimento, ma strati di diffusione induriti molto limitati.

La scelta del ciclo di lavoro La scelta del ciclo di lavoro. È chiaro che lo stato del materiale influisca in modo determinato sulle lavorazioni meccaniche. Più specificatamente la lavorazione di un acciaio bonificato, con caratteristiche di resistenza tra 900 ÷ 1200 N/mm2, può presentare delle notevoli difficoltà, es. nella fase di brocciatura di un foro. Per contro tale situazione, una volta superata la difficoltà della lavorazione meccanica, non presenterà altri problemi allo stato finale, poiché non si avranno con il T.T. di nitrurazione modifiche strutturali e quindi deformazioni importanti. Contrariamente la lavorazione di un particolare allo stato ricotto, con resistenza tra 500 ÷ 700 N/mm2, non comporterà difficoltà particolari, o comunque confrontabili a quelle della situazione precedente, ma sicuramente, per ottenere le caratteristiche di durezza e tenacità previste dal T.T. di cementazione, dovrà essere sottoposto alla tempra che comporta delle trasformazioni di struttura, e conseguenti deformazioni, che potranno essere eliminate con l’operazione aggiuntiva di rettifica finale. È pertanto evidente che in entrambi i casi ci sono aspetti favorevoli e controindicazioni importanti, motivo per il quale una valutazione complessiva dei costi/benefici, a prescindere dalla peculiarità delle caratteristiche tecniche che si dovranno ottenere, deve comprendere l’intero ciclo di lavoro. La definizione chiara delle specifiche tecniche e dei conseguenti trattamenti al fine di utilizzare, per quanto possibile, cicli termici e metodologie di controllo definite e standardizzate. In sintesi si potrebbero definire, in linea di massima, alcuni criteri generali di utilizzo dei T.T. di cementazione e nitrocarburazione ferritica.

Tutti questi tipi di trattamento termochimico migliorano le caratteristiche di: Durezza superficiale in genere Resistenza a fatica Resistenza allo sfregamento ed usura Antigrippaggio Appare ovvio che in funzione del tipo di acciaio, (cerchio ristretto a quelli da cementazione per la cementazione, spettro molto più ampio per le nitrurazioni) e dalla caratteristica principale da rispettare si possono ottimizzare i risultati. In particolare per la resistenza all’usura e la riduzione del coefficiente d’attrito, la nitrocarburazione ferritica si comporta meglio rispetto alla nitrurazione. La resistenza a fatica ed in particolare la resistenza a fatica per flessione rotante è maggiore nel caso della nitrurazione piuttosto che per la nitrocarburazione ferritica. Altro discorso va fatto nel caso della fatica per contatto, tipica delle ruote dentate, caratterizzata dallo strato tensionale residuo che si ottiene con entrambi i procedimenti di nitrurazione e cementazione e, come detto in precedenza, è oggi soggetta a valutazioni diverse, non ultimo il fatto che eventuali rettifiche finali riducono tali stati tensionali. Rimane perciò indiscusso che lo spessore di strato indurito, in qualsiasi trattamento termochimico, aumenta, anche se non in modo proporzionale, le caratteristiche di resistenza a fatica e flessione ed alle sollecitazioni di carichi concentrati a fatica da contatto. Importante, in questo settore, rimane comunque il parere dei costruttori di ingranaggi che, presumibilmente per mancanza di specifiche conoscenze e prove sperimentali, continuano ad assegnare agli ingranaggi cementati una maggiore capacità di carico, rispetto agli ingranaggi nitrurati.

CONFRONTO TRA LE PRINCIPALI CARATTERISTICHE D’ESERCIZIO E QUELLE OTTENIBILI

A Stuttura formata da strato dei composti più carbononitruri diffusi nel sub strato a cuore sorbite e bainite, struttura a bande B Strato di coltre bianca e zona di diffusione dei nitruri, a cuore struttura sorbitica e bainitica con presenza di bande Evidenza dello strato di ossidazione superficiale depositata sullo strato dei composti su due campioni Nitrocarburato ( NC) e Nitrurato (N)

Morfologia della superficie analizzata al SEM di campioni NC – Nitrocarburato N – Nitrurato NC+O – Nitrocarburato + ossidazione sup. N+O – Nitrurato + ossidazione sup.

ACCIAI DA TEMPRA SUPERFICIALE La tempra superficiale dei materiali ferrosi è descritta e regolamentata dalla UNI 10932-2001 e la misurazione dello spessore di strati superficiali induriti per questo tipo di tempra è la UNI 11153-3 del 2006. Gli acciai da tempra superficiale contemplati dalle norme UNI 8551 e 7847 si possono suddividere in acciai al Cromo, al Cromo- Manganese e al Cromo –Molibdeno. Tutti gli acciai destinati alla tempra superficiale devono essere calmati a grano fine per ridurre i fenomeni di ingrossamento del grano e ridurne il pericolo di cricche in fase di tempra. Gli acciai non legati naturalmente sono i più economici e la loro composizione chimica è caratterizzata dalla percentuale di carbonio variabile da 0.36% a 0.53% (medio). Essenzialmente la scelta di questi acciai viene fatta quando i particolari da costruire sono di dimensioni relativamente piccole e comunque che non debbano possedere resistenza a cuore particolarmente elevata (max 85° N/mm2) Tenendo conto che la durezza superficiale dopo tempra dipende essenzialmente dalla percentuale di carbonio si sceglierà tra questi acciai tenendo conto della durezza superficiale richiesta. Comunque sarà bene, allo scopo di elaborare un progetto affidabile, attenersi ai valori riportati nelle tabelle UNI di riferimento che tengono conto delle possibili variabili previste dalla realtà. La presenza di elementi quali Cr, Mo, Ni come impurezze rendono molto variabile la temprabilità degli strati induriti degli acciai al solo carbonio e quindi si possono verificare casi eccessiva durezza (con rischi di cricche) o difficoltà di ottenere i valori di riferimento o comunque prevedibili.

Tutti gli acciai per tempra superficiale contengono % di zolfo più basse per ridurre i rischi di cricche o rotture tensionali. Ma tale elemento non può essere completamente eliminato, anzi va utilizzato quando si vuole migliorare la lavorabilità come per gli acciai risolforati, e quindi deve essere previsto tra 0.020 e 0.035% . Gli acciai per tempra superficiale al solo carboni (C43) sono molto usati per la loro economicità per cui si adottano gli acciai legati solo quando sono necessari valori di resistenza a cuore più alti o quando necessitano strati induriti più profondi. Profondità d’indurimento (efficaci) superiori a 5 mm difficilmente potranno essere ottenute su acciai al solo carbonio. Con gli acciai 41CrMo4 e 39NiCrMo è possibile ottenere profondità efficaci di indurimento, disponendo di impianti con potenza adeguata, superiore a 10mm. Quando si desiderano valori di durezza superficiale superiori a quelli previsti dalle tabelle di riferimento in funzione del tipo di acciaio si dovranno richiedere prescrizioni più ristrette delle % di carbonio escludendo i valori minimi previsti. Spesso infatti, soprattutto nel campo degli alberi a camme, del settore tessile ecc. dove si predilige la tempra superficiale alla cementazione , si desiderano valori di durezza di 58HRC e quindi si dovranno richiedere valori di carbonio di 0.40% minimo. E’ anche per questo che spesso si ricorre all’utilizzo di acciai tipo 50CrMo4 e 50CrV4 che avendo una % di carbonio elevata garantiscono gli adeguati valori di durezza superficiale richiesta. A dimostrazione di ciò temprando gli acciai da cementazione carburati o gli acciai da cuscinetti (100Cr6) si ottengono facilmente durezze superficiali superiori a 60 HRC. Fondamentale per raggiungere tali durezza che le superfici da indurire non presentino decarburazioni derivate da TT precedenti.

Le profondità di indurimento o tempra si intendono quelle efficaci come previsto dalla norma UNI 11153-3 che prevede una durezza di riferimento convenzionale pari a 80% della durezza superficiale minima richiesta. Per le ruote dentate è opportuno specificare a disegno il profilo di tempra della dentatura che dovrà tenere conto delle esigenze di progetto e tecnologiche e quindi anche della dimensione dei denti (modulo). Si riportano pertanto gli schemi che illustrano i vari profili di tempra. Il tipo A si dovrà prescrivere quando si desidera aumentarla resistenza all’usura e la capacità di carico della dentatura (consigliato per moduli tra 3 e 6). Il tipo B ha le stesse caratteristiche del tipo A ma più adatto per moduli inferiori a 3 e il tipo C si prescrive solo per quando si desidera aumentare la resistenza all’usura e l’indurimento sarà eseguito dente per dente a causa delle grosse dimensioni dei denti (modulo maggiore di 8). Il tipo D per le stesse esigenze del tipo C ma per moduli 5-8 e per utilizzare un metodo più economico; questo tipo di indurimento non dovrà essere prescritto per dentature molto sollecitate in quanto c’è il rischio di portare un indebolimento della radice del dente (zona di transizione). Il tipo E è equivalente al tipo A anche se si induriscono il fianco e il fondo ma si applica per dentature con moduli maggiori di 8 di cui si vuole aumentare la resistenza all’usura e la sua capacità di carico (si ottiene temprando dente per dente) Il tipo F è equivalente al tipo C ma più adatto per moduli più piccoli.

SCHEMI DI TEMPRA AD INDUZIONE DI RUOTE DENTATE

Curve di temprabilità Jominy minime degli acciai per tempra superficiale