ruote dentateart068.pdf

ASSOCIAZIONE ITALIANA PER LANALISI DELLE SOLLECITAZIONI XXXIV CONVEGNO NAZIONALE 1417 SETTEMBRE 2005, POLITECNICO DI MILANO

* Corresponding author: Tel. 035-2052382; Fax. 035-562779; E-mail: [email protected]

RESISTENZA A FATICA DI RUOTE DENTATE RIVESTITE CON FILM SOTTILI DURI

S. Baragettia A. Terranovab a Dipartimento di Progettazione e Tecnologie, Universit degli Studi di Bergamo, Viale Marconi 5, 24044 Dalmine (BG),

Italia, [email protected] b Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano, Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italia,

[email protected]

Sommario I rivestimenti sottili duri, CVD e PVD, si stanno sempre pi diffondendo nelle applicazioni strutturali tanto che, partendo dallormai consolidato settore degli utensili da taglio, sempre pi frequente trovare esempi di particolari rivestiti destinati allindustria aerospaziale, petrolifera, al settore dei trasporti, al settore biomedico o, pi in generale, alla meccanica. Nel presente lavoro si vuole valutare la possibilit di incrementare la resistenza a fatica di ruote dentate rivestite con nitruro di cromo (CrN) depositato attraverso la tecnica PVD. La procedura di indagine proposta si basa sulla modellazione numerica del componente e, attraverso la misura delle tensioni residue indotte dal processo di deposizione e la rilevazione del profilo della microdurezza, viene proposto un metodo per valutare il numero di cicli di rottura di ruote dentate rivestite utilizzate nelle trasmissioni meccaniche in ambito automobilistico e motociclistico. Proprio la valutazione, per via numerica, del numero di cicli a rottura di ruote dentate rivestite e non rivestite (o del numero di cicli necessari per causare un danneggiamento parziale) ha consentito di evidenziare quali sono i miglioramenti indotti dalla presenza del trattamento in termini di incremento della vita del componente. I benefici apportati dal trattamento, non solo in termini di resistenza a fatica, sono stati analizzati ed evidenziati. In conclusione viene proposta una analisi di sensibilit degli effetti del trattamento (campo delle tensioni residue e caratteristiche meccaniche del substrato e del rivestimento) sulla velocit di propagazione dei difetti. Abstract Aim of this work is to investigate into the possibility of enhancing the fatigue resistance of CrN PVD coated components. In particular PVD coated spur gears were tested and numerical simulation of crack propagation was carried out. The coating layer micro-hardness and the residual stresses characterising the surface film were measured and the obtained results were introduced in a numerical modelling predicting fatigue life procedure of coated gears used in gearboxes for automotive applications. The number of cycles necessary to reach specified crack depths of coated and uncoated samples was numerically determined and represents a powerful tool to predict fatigue life of coated steel gears. Benefits induced by the presence of coating were pointed out. A sensitivity analysis was carried out too: the effects of the residual stress gradient (evaluated by means of X-ray measurements), and of the elastic properties of bulk material and coating on the fatigue crack propagation were evaluated. Parole chiave: CrN-PVD, Ruote dentate, Resistenza a fatica, Modelli numerici, Tensioni residue

XXXIV CONVEGNO NAZIONALE AIAS MILANO, 14-17 SETTEMBRE 2005

1. INTRODUZIONE La tecnica di deposizione PVD [1, 2] di rivestimenti sottili duri consente di migliorare le caratteristiche sia di resistenza a usura sia si resistenza a corrosione. Da anni la tecnica viene utilizzata per rivestire componenti per le pi svariate applicazioni meccaniche, dai componenti aeronautici e automobilistici agli utensili da taglio e agli stampi [3]. Se da un lato il trattamento superficiale consente di migliorare le caratteristiche tribologiche ed un ottimo sistema per proteggere il materiale in caso di ambiente aggressivo, dallaltro la tecnica di deposizione PVD potrebbe ridurre drasticamente la resistenza a fatica di componenti strutturali soggetti a carichi variabili. Linterfaccia rivestimento-substrato infatti una zona debole, sede di discontinuit nelle caratteristiche fisiche e meccaniche del substrato e del rivestimento, soggetta a un campo di tensioni residue di notevole entit e, se la superficie del componente non adeguatamente preparata, si pu verificare la delaminazione del rivestimento e la generazione di cricche di fatica in superficie. Se si considerano per esempio i componenti cromati, il rivestimento in questo caso una ottima barriera contro la corrosione ma la vita dei componenti rivestiti ridotta rispetto ai non rivestiti [4]. Il campo tensionale residuo indotto dal rivestimento forse il parametro che maggiormente influenza la resistenza a fatica e, nel caso in cui le tensioni in superficie siano di compressione gli effetti sono benefici [5-9]. Solo da pochi anni linteresse per i rivestimenti sottili cresciuto anche per le applicazioni in cui la resistenza a fatica, non solo la resistenza alla corrosione e allusura, il parametro discriminante per la scelta del processo di ottenimento di componenti quali bielle, alberi a gomiti, ruote dentate, palette di turbine [2-7]. In letteratura sono disponibili articoli che riportano lincremento, in termini di numero di cicli e di limite di fatica, di componenti rivestiti rispetto ai non rivestiti e proprio lelevata entit delle tensioni residue indotte dal trattamento consente di giustificare il miglioramento del comportamento a fatica [8-11]. Se da un lato dal punto di vista fenomenologico ormai noto che se il rivestimento opportunamente progettato si hanno effetti positivi in termini di resistenza a fatica, dallaltro le scelte del tipo di rivestimento (soprattutto la composizione chimica), della tecnica di deposizione, dello spessore vengono condotte con considerazioni empiriche o demandate allesperienza delloperatore [12]. Per scegliere i parametri ottimali di trattamento sarebbe quindi necessario sviluppare un modello che consentisse di valutare la sensibilit della variazione dei parametri di trattamento sugli effetti voluti in termini di resistenza a fatica. In letteratura sono presenti numerosi studi, sia sperimentali sia numerici, che trattano la caratterizzazione meccanica della superficie di componenti rivestiti con film sottili duri ma solo in pochi la resistenza a fatica analizzata in termini di variazione del coefficiente di intensificazione degli sforzi di soglia e di propagazione della cricca dopo la nucleazione nel rivestimento o allinterfaccia rivestimento/substrato. In alcuni articoli la propagazione della cricca per fatica stata simulata mediante il metodo degli elementi di contorno [13] mentre il metodo degli elementi finiti ha permesso di simulare processi di nano-indentazione, al fine di avere informazioni dettagliate circa la durezza e la resistenza a frattura [14, 15]. Un modello numerico che consenta di simulare la presenza del rivestimento su provini di flessione su quattro punti stato sviluppato dagli autori [9] e proprio attraverso tale modello possibile prevedere il numero di cicli di rottura di provini con difetti localizzati in superficie in corrispondenza della zona rivestita. Il modello, ottimizzato per provini di laboratorio, dovrebbe essere esportato allapplicazione su componenti rivestiti con film sottili duri. Il componente analizzato nel presente lavoro una ruota dentata a denti diritti in acciaio utilizzata in campo automobilistico [16]. Lapproccio iniziale stato quello di valutare, attraverso la modellazione numerica, se il rivestimento sottile scelto per rivestire la ruota (PVD avente spessore 4 m) potesse incrementare la resistenza a fatica alla base dei denti del componente. Il modello numerico sviluppato necessita la conoscenza delle caratteristiche meccaniche del materiale della ruota e del rivestimento, la conoscenza del campo delle tensioni residue indotto dalla tecnica PVD sia nel rivestimento sia nel substrato, il profilo di microdurezza nel rivestimento e nel substrato. Il modello pu essere utilizzato solo in assenza di delaminazione tra rivestimento e substrato. I difetti riproducibili sono quindi quelli dovuti a discontinuit presenti allinterfaccia rivestimento-substrato che possono essere simulati come cricche che propagano in direzione perpendicolare alla superficie del componente. Questa ipotesi ben supportata solo se la superficie del componente opportunamente preparata prima del rivestimento; del resto indagini reperibili in


letteratura hanno evidenziato che, se si cura la finitura superficiale del componente prima del trattamento [17], non si ha delaminazione. Le analisi condotte hanno messo in evidenza che il campo delle tensioni residue ha notevole influenza sulla propagazione delle cricche nucleate allinterfaccia rivestimento-substrato delle ruote dentate analizzate. Da una analisi di sensibilit della variazione del campo delle tensioni residue indotto dal trattamento sulla velocit di propagazione delle cricche di fatica emerso che il parametro che governa il fenomeno la tensione residua presente nello spessore del rivestimento (anche se limitato a soli 4 m). La scelta del materiale utilizzato come substrato fondamentale per garantire adeguata leggerezza al componente; il passo successivo dello studio sar valutare la possibilit di rivestire ruote dentate in alluminio o titanio e considerare non solo la resistenza a fatica alla base dei denti ma anche la resistenza a fatica superficiale. 2. GEOMETRIA E MATERIALE DELLE RUOTE DENTATE Le ruote dentate oggetto del presente studio fanno parte del cambio di una vettura di media cilindrata. In Tabella 1 sono riportate le caratteristiche geometriche rilevate delle ruote in oggetto (Figura 1a).

Figura 1: a) rilevazione delle dimensioni delle ruote dentate e b) misure di rugosit

Tabella 1: Caratteristiche geometriche delle ruote dentate

Modulo m [mm]

Numero di denti del

pignone Z1

Numero di denti della ruota Z2

Spessore B [mm]

Angolo di pressione normale

Angolo di pressione al punto di contatto

singolo pi esterno en 2.95 11 24 13.3 22 25 2 53

Il materiale delle ruote dentate lacciaio 18NiCrMo5 (UNI 7846) e le ruote sono state cementate. Lo spessore efficace del trattamento pari a 1 mm [18]. La composizione chimica dellacciaio riportata in Tabella 2 [18].

Tabella 2: Composizione chimica dellacciaio 18NiCrMo5 %C %Mn %Cr %Ni %Mo %Si %S %P %Al 0.16 0.9 1.0 1.3 0.2 0.27 0.19 0.015 0.031

Le misure di durezza delle ruote non rivestite (penetratore conico di diamante con angolo al vertice 120, con carico applicato 100 N per 8 s), condotte sui fianchi e sulla testa dei denti, in corrispondenza delle gole e sulle superfici laterali delle ruote, hanno fornito un valore medio pari a 55 HRC. Le misure di rugosit, condotte con un rugosimetro portatile DIAVITE DH-5, hanno fornito un valore medio Ra=0.67 m (Figura 1b). La misura delle tensioni residue (diffrattometro D/max RAPID Rigaku), condotta sulla cresta dei denti e in prossimit delle gole delle ruote dentate, per le ruote non rivestite ha fornito un valore medio pari a 200 MPa [18]. 2.1. Caratteristiche del rivestimento Il rivestimento delle ruote dentate nitruro di cromo (CrN) depositato con la tecnica PVD. Lo spessore del rivestimento pari a 4 m. Il modulo elastico del rivestimento pari a E=303 GPa mentre il coefficiente di Poisson =0.2 [19]. Le misure di rugosit, condotte con un rugosimetro portatile DIAVITE DH-5, hanno fornito un valore medio Ra=0.91 m. La misura delle tensioni residue (diffrattometro D/max RAPID Rigaku), condotta sulla cresta dei denti e in prossimit delle gole delle ruote dentate rivestite, ha fornito un valore medio pari a 1200 MPa [18]. Dato che la penetrazione del

a a b b


fascio RX pari a 10 m i valori di tensione residua misurati non sono quelli relativi al solo rivestimento (nel quale comunque vi un gradiente di tensioni residue). La misura delle tensioni residue nelle ruote rivestite alla profondit del materiale base ha fornito un valore medio pari a 40 MPa. Il valore della tensione residua effettiva presente nel rivestimento pertanto sar circa 2500 MPa, valore tipico misurabile per rivestimenti di questo tipo (da 0.8 GPa to 3 GPa in funzione del substrato [20]). Le misure di microdurezza condotte dagli autori in [21] per il medesimo rivestimento ma, rispettivamente su acciaio duplex 2205 e su acciaio per utensili H11, hanno evidenziato che la durezza in superficie pari a circa 2500 HV. Allinterfaccia rivestimento-substrato la durezza di assesta sul valore medio della durezza del substrato e la durezza del rivestimento. Pertanto per le ruote dentate rivestite la durezza in superficie la medesima riportata in [21], mentre a cuore stata utilizzata la durezza tipica per un acciaio da cementazione (300 HV) [22]. Il rivestimento ha dimostrato buona aderenza, ovvero assenza di delaminazione, con il substrato.

3. MODELLI NUMERICI La modellazione numerica per elementi finiti, supportata da modelli analitici reperibili in letteratura, ha consentito di valutare la velocit di propagazione di difetti presenti nel rivestimento, o allinterfaccia tra rivestimento e substrato, alla base dei denti delle ruote dentate in direzione perpendicolare alla superficie. La buona aderenza tra rivestimento e substrato ha confermato la necessit di simulare la sola propagazione di difetti in direzione perpendicolare alla superficie. La procedura la seguente: il modello numerico consente di valutare il fattore di intensificazione degli sforzi (in modo discreto, per ciascun valore di profondit del difetto) e di paragonarlo con quello di soglia (ricavabile attraverso modelli reperibili in letteratura). Se il fattore di intensificazione degli sforzi maggiore rispetto a quello di soglia la cricca pu propagare. Se la cricca propaga si valuta la velocit di propagazione attraverso modelli di letteratura sviluppati per ruote dentate cementate (vedi paragrafo 3.1.) e di conseguenza il numero di cicli che corrisponde alla propagazione fino a una data profondit. Sono state simulate differenti profondit di cricca: 4 m, 25 m, 50 m, 100 m, 190 m, 300 m, ipotizzando che la cricca non modifichi il proprio percorso durante la propagazione, ed stato confrontato il numero di cicli di propagazione con e senza la presenza del rivestimento. La procedura di calcolo numerico-analitica stata convalidata dagli autori, per via sperimentale, nel caso di provini di flessione su quattro punti [9]. 3.1. Valutazione della velocit di propagazione dei difetti Il valore di soglia del fattore di intensificazione degli sforzi pu essere valutato con i modelli della micro-meccanica della frattura (MFM). In letteratura disponibile il modello di Murakami [23], basato sulla raccolta di dati sperimentali su cricche tridimensionali e di limitata profondit (R= min/max= -1):

( )( )1 33 13 3 10 120 2/th RK . HV Area

= + (1)

=0.226+HV10-4 (2)

Il parametro Area [mm], nel caso di rivestimenti fragili, pu essere considerato pari alla profondit della cricca. Questo modello per la stima del coefficiente di intensificazione di soglia degli sforzi pu essere utilizzato solo se la lunghezza della cricca soddisfa la relazione 3a0


propagazione oltre la soglia, in caso di superfici rivestite e indurite, pu essere ricavata utilizzando i modelli di letteratura sviluppati per ruote dentate cementate [16, 26]. Tali modelli richiedono la conoscenza del profilo della microdurezza e il valore del coefficiente di intensificazione degli sforzi (che pu essere valutato attraverso la modellazione per elementi finiti).

1 2

for1

for1

Ic

n nth th Cn

nIc

C Icn n n

/thC th Ic

Ic

da C ( K - K ) K K KdN ( - )

K Kda C ( ) K K KdN ( - ) K - K

K , K ( K K )K

=

= < = +

= + =

= + = +

3.2. Modelli agli elementi finiti

Il modello agli elementi finiti sviluppato riportato in Figura 2b. Il modello non consente di simulare lingranamento di ruota e pignone bens di riprodurre le condizioni di prova in laboratorio descritte nel paragrafo 4 (il rullo lelemento volvente di un cuscinetto in 100Cr6 avente durezza superficiale 60 HRC) [16]. In pratica lazione di flessione indotta dallingranamento sul dente viene simulata attraverso lazione di un rullo forzato tra due denti in corrispondenza del punto di contatto singolo pi esterno (Figura 2a). Il modello realizzato con elementi finiti piani che riproducono un comportamento in stato piano di sforzo. Sono stati modellati due denti e, sfruttando la simmetria del problema, una sola met del cilindro e dei due denti stata riprodotta per elementi finiti (Figura 2b). I vincoli di tipo carrello (spostamenti nulli in direzione perpendicolare alla superficie) imposti sulla superficie di contorno di sinistra del modello (Figura 2b) non riproducono il reale vincolo dei denti alla restante parte della ruota dentata. Non stata riprodotta tutta la ruota dentata per non appesantire eccessivamente il modello; del resto il difetto localizzato alla base del raccordo del dente, lontano dai vincoli, nella zona in cui si concentrano gli sforzi di flessione maggiori. La formulazione di un modello semplificato giustificata anche dal fatto che lobiettivo del presente studio valutare se la presenza del rivestimento pu incrementare la vita della ruota dentata trattata rispetto a quella non rivestita ( quindi importante soprattutto che i modelli siano uguali).

dc= spessore del rivestimento [mm] d2= profondit per cui si ha la massima durezza [mm] d*= distanza dalla superficie [mm] H1 = durezza sulla superficie [HV] H2 = durezza massima [HV] H3 = durezza del substrato [HV] H4 = durezza allinterfaccia rivestimento/substrato [HV]

a b

Carrelli Figura 2: a) modalit di applicazione del carico e b) modello FEM


Il modellatore utilizzato MSC-Patran 2004, mentre il solutore Abaqus 6.4. Sono state condotte analisi con comportamento del materiale lineare elastico e si trascurata la plasticizzazione allapice del difetto.

Figura 3: a) modello FEM del dente rivestito con difetto, b) particolare del rivestimento e del difetto nel modello FEM,

c) particolare della zona di contatto tra rullo e dente

Le tensioni residue sono state applicate per mezzo di una procedura basata sui gradienti di temperatura: un profilo di temperatura opportuno, con la temperatura assegnata ai nodi dalla superficie verso linterno, ha consentito di simulare la presenza del profilo delle tensioni residue ottenuto mediante misure sperimentali e riportato in Figura 4. Il profilo delle tensioni residue stato ricavato avendo nota solo la tensione residua in superficie e impostando un profilo equilibrato. Gli autori hanno verificato che variazioni nellandamento del profilo delle tensioni residue non influenzano in modo significativo il valore del fattore di intensificazione degli sforzi ricavato attraverso il modello FEM dato lelevato valore della tensione residua in superficie. Il carico applicato relativamente alto (al cilindro che sollecita due denti stata applicata una forza in direzione verticale pari a 52000 N che genera uno sforzo massimo alla base del dente pari a 1500 MPa).

a

b

c

Figura 4: Profilo delle tensioni residue applicato al modello FEM


E stato simulato un carico pulsante da zero. La variazione del fattore di intensificazione degli sforzi K stata calcolata utilizzando i valori di spostamento relativo delle facce della cricca ( la posizione angolare rispetto alla direzione di propagazione, E il modulo elastico del materiale, il coefficiente di Poisson, r la distanza dallapice del difetto, u la met dello spostamento relativo fra le facce della cricca):

)(22

fu

rGK I =

+

=

2cos21

2sin)( 2 kf (5)

Nella (5) k= 3-4 in stato di sforzo piano mentre k= (3-)/(1+) in stato piano di deformazione. Nelle Tabelle 3 e 4 si riportano i valori di Keff = (KI - Kres), che tiene in considerazione leffetto del campo delle tensioni residue, rispettivamente per la ruota non rivestita e per la ruota rivestita. Il trattamento PVD, date le elevate temperature di deposizione, elimina gli effetti benefici, in termini di tensioni residue, indotti dal trattamento di cementazione. Gli autori hanno verificato il medesimo comportamento per campioni pallinati e rivestiti con trattamento PVD [9].

Tabella 3: Valutazione di Keff per la ruota cementata e non rivestita Profondit

Cricca [m] Durezza

[HV] Distanza nodo [m] u [m] ures [m]

KI [MPam]

Kres [MPam]

Keff [MPam]

Kth [MPam]

4 600 1,E-06 3.436E-08 0,0E+00 5.62 0,00 5.62 3.33 25 600 5,E-06 2.141E-07 0,0E+00 15.65 0,00 15.65 4.50 50 600 5,E-06 2.953E-07 0,0E+00 21.59 0,00 21.59 4.50 100 600 5,E-06 3.897E-07 3,34E-10 28.49 0,00 28.49 4.50 190 600 5,E-06 4.757E-07 5,61E-10 34.77 0,00 34.77 4.50 300 600 5,E-06 5.231E-07 5,78E-10 38.24 0,00 38.24 4.50

Tabella 4: Valutazione di Keff per la ruota rivestita con CrN

Profondit Cricca [m]

Durezza [HV]

Distanza nodo [m] u [m] ures [m]

KI [MPam]

Kres [MPam]

Keff [MPam]

Kth [MPam]

4 1600 1,E-06 1,62E-09 0,0E+00 0,27 0,00 0,27 7,62 25 300 5,E-06 4,11E-09 0,0E+00 0,30 0,00 0,30 3,44 50 300 5,E-06 1,09E-07 8,71E-10 8,00 0,06 7,94 3,20 100 300 5,E-06 3,15E-07 4,74E-08 23,07 3,47 19,60 3,49 190 300 5,E-06 4,38E-07 3,62E-08 32,02 2,65 29,38 3,49 300 300 5,E-06 4,94E-07 2,51E-08 36,13 1,84 34,29 3,49

Dallanalisi della Tabella 3, per la ruota non rivestita, si ricava che la cricca pu propagare (Keff > Kth) solo per difetti aventi profondit superiore a 4 m. Dallanalisi della Tabella 4, per la ruota rivestita, si ricava che la cricca pu propagare (Keff > Kth) solo per difetti aventi profondit superiore a 25 m. Keff per la ruota rivestita con CrN assume valori apprezzabili solo per cricche con profondit maggiore a 25 m. E da notare inoltre che Keff assume circa lo stesso valore a 300 m, sia per la ruota rivestita sia per la ruota non rivestita; ci significa che leffetto benefico delle tensioni residue indotte dal rivestimento non si sente pi a profondit elevate e il comportamento con o senza rivestimento il medesimo per profondit di cricca superiori a circa 200 m. In Tabella 5 riportato il numero di cicli per raggiungere la medesima profondit di cricca rispettivamente per ruota cementata e ruota rivestita con CrN.

Tabella 5: Numero di cicli per ruota cementata e ruota rivestita con CrN Profondit del difetto [m]

Numero di cicli Profondit del difetto [m]

Numero di cicli

4-25 2580 4-25 Non propaga 25-50 266 25-50 106777 50-100 145 50-100 3506 100-190 75 100-190 924 190-300 32 190-300 487

Numero di cicli complessivo

3098

Numero di cicli complessivo

111694

R

uota

den

tata

Rive

stita

Cr

N (

4 m

)

R

uota

den

tata

c

emen

tata


Dalla analisi della tabella 5 si osserva che per la ruota rivestita un difetto superficiale avente dimensioni inferiori a 25 m non pu propagare, mentre per la ruota cementata si ha la propagazione, per il carico applicato, di difetti aventi profondit maggiore o uguale a 4 m. Per la ruota rivestita, perch la cricca propaghi fino a 300 m necessario un numero di cicli pari a 111694 contro i 3098 cicli della ruota non rivestita. E evidente il beneficio indotto dalla presenza del rivestimento. La maggior parte del numero di cicli viene inoltre speso per passare da 25 m a 50 m per la ruota rivestita; proprio per difetti di queste dimensioni si risente maggiormente delleffetto benefico delle tensioni residue in superficie che riducono la velocit di propagazione di tali difetti. Il modello numerico della ruota rivestita, senza per applicato il campo delle tensioni residue indotte dal trattamento, porta a un numero di cicli dellordine di grandezza del numero di cicli della ruota cementata. Il campo tensionale residuo indotto dal trattamento PVD pertanto il maggiore responsabile dellincremento del numero di cicli, a parit di profondit di propagazione, per la ruota rivestita. 4. INDAGINI SPERIMENTALI E stato sviluppato un dispositivo di prova per verificare a flessione i denti degli ingranaggi oggetto del presente lavoro [22]. Il disegno di assieme tridimensionale del sistema riportato in figura 5 con unimmagine del sistema montato su una macchina di prova universale Galdabini da 100 kN.

Figura 5: a) disegno di assieme tridimensionale del sistema di prova e b) immagine del sistema sistema di prova

montato su una macchina di prova universale Galdabini da 100 kN

Losservazione al microscopio delle ruote dopo le prove preliminari e lutilizzo dei liquidi penetranti hanno evidenziato che sia per la ruota cementata sia per la ruota rivestita con CrN non si ha propagazione di cricche di fatica alla base dei denti (il carico applicato lo stesso utilizzato nei modelli FEM che, senza difetto superficiale, non prevedono la propagazione di cricche di fatica nel caso di rivestimento CrN vedi paragrafo 3.2 oppure portano alla propagazione del difetto fino a 300 m dopo circa 3100 cicli, in presenza di difetti superficiali con profondit superiore a 4 m). Questo risultato giustificato probabilmente dallassenza di difetti nella zona pi sollecitata dei campioni (il modello numerico sviluppato consente di prevedere il numero di cicli per passare da una profondit di cricca a una maggiore solo se un difetto gi presente in superficie o in prossimit della superficie). Lanalisi delle zone di contatto tra rulli e fianchi dei denti consente invece di formulare alcune ipotesi sulla resistenza alla fatica superficiale, anche se il dispositivo di prova non adatto a prove di fatica superficiale. Le immagini delle superfici di contatto dopo le prove ad alto carico per le ruote cementate sono riportate in Figura 6, mentre in figura 7 sono mostrate le superfici danneggiate delle ruote rivestite con CrN.

Codolo

Ruota dentata

Ruota dentata Codolo

Supporto

a) b)


Dalla comparazione delle immagini riportate nelle Figure 6 e 7 possibile notare come le impronte impresse sui fianchi dei denti rivestiti oltre a presentare un colore pi scuro, probabilmente dovuto alla minore ossidazione, siano contornate da un profilo color nero antracite, presumibilmente lo spessore del rivestimento stesso. Durante la prova della ruota rivestita (Figura 7c) si verificato un distacco in scaglie del materiale (rivestimento CrN), fenomeno assente per la ruota non rivestita. Tale fenomeno decisamente da imputare allelevato carico di prova che ha portato al danneggiamento eccessivo della zona interessata dal contatto, con distacco di scaglie di nitruro di cromo.

5. CONCLUSIONI E stata sviluppata una procedura numerica per la previsione della vita a fatica di ruote dentate per applicazioni automobilistiche cementate e successivamente rivestite con la tecnica PVD (CrN con spessore 4 m). La stima del fattore di intensificazione degli sforzi e lutilizzo di relazioni presenti in letteratura per la simulazione della propagazione di cricche di fatica hanno consentito di modellare la propagazione di un difetto superficiale. La procedura sviluppata, convalidata per via sperimentale dagli autori in lavori precedenti, pu essere applicata a qualunque tipo di rivestimento purch sia garantita una buona adesione al materiale sottostante per consentire la propagazione della cricca dal rivestimento al substrato. I risultati numerici evidenziano come in presenza del rivestimento sottile duro si verifica un incremento notevole del numero di cicli necessario per far propagare una cricca (un difetto esistente sulla superficie nella zona pi sollecitata della ruota alla base dei denti) fino a una profondit prefissata. Lincremento di resistenza a fatica riscontrato per le ruote rivestite principalmente dovuto al campo delle tensioni residue indotte dal trattamento PVD. RINGRAZIAMENTI Si ringrazia ling. Emanuele Rota per il prezioso aiuto nellesecuzione delle analisi numeriche e gli ingegneri Alessandro Colombo e Giovanni Raineri per la collaborazione nellesecuzione delle prove sperimentali. BIBLIOGRAFIA

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a) c) b)

Figura 7: Immagini della zona di contatto rullo-fianco del dente dopo le prove per le ruote rivestite con CrN

a) b) c)

Figura 6: Immagini della zona di contatto rullo-fianco del dente dopo le prove per le ruote cementate


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