TRATTAMENTI TERMICI DI CEMENTAZIONE E TEMPRA · POLITECNICO DI TORINO . Facoltà di Ingegneria . Corso di laurea in Ingegneria Meccanica . TESI DI LAUREA . TRATTAMENTI TERMICI . DI

POLITECNICO DI TORINO

Facoltà di Ingegneria

Corso di laurea in Ingegneria Meccanica

TESI DI LAUREA

TRATTAMENTI TERMICI

DI CEMENTAZIONE

E TEMPRA

Relatore: prof. Mario Rosso

Candidato: Fabrizio Milanolo, mat. 88012

ANNO ACCADEMICO 2001-2002

Ringraziamenti Desidero ringraziare il professor Mario Rosso per la disponibilità dimostratami

durante lo svolgimento della tesi.

E’ doveroso sottolineare la mia riconoscenza all’ingegner Giulio Prandi, nella figura

di Responsabile della Qualità di Tekfor S.p.a di Avigliana (To), per il suo prezioso

aiuto in questo lavoro.

Allo stesso modo voglio ringraziare tutto il personale di Tekfor S.p.a. per la

collaborazione data.

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CAPITOLO 1

INTRODUZIONE

Il presente studio si prefigge la finalità di illustrare l’evoluzione avvenuta negli

ultimi tempi nell’impiego di acciai da cementazione e tempra da parte dell’industria

automobilistica italiana (ruote dentate delle trasmissioni degli autoveicoli).

Sono stati presi in considerazione acciai atti a subire processi di nuova generazione,

di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2), e sono stati paragonati

ad acciai tradizionali, che subiscono il processo di cementazione in atmosfera

cementante (endogas) e tempra in olio.

Per affrontare queste argomentazioni (cementazione in bassa pressione e tempra in

gas azoto), è teoricamente possibile, al posto di utilizzare acciai di nuova

generazione, utilizzare acciai tradizionali. Sono infatti stati effettuati studi

sull’acciaio 19MnCr5G, che può essere considerato di tipo tradizionale, impiegando

le due metodologie differenti. I risultati ottenuti dimostrano che i trattamenti di

cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2) portano senza dubbio a

migliorie teoriche sui particolari ottenuti con questi tipi di acciaio, ma i risultati

ottenuti non possono avere riscontri con la realtà: le durezze, infatti, non riescono a

raggiungere i valori richiesti. I disegni di fabbricazione delle ruote dentate prevedono

caratteristiche di durezza base dente che sono ottenibili solamente utilizzando un

“acciaio tradizionale”, mediante cementazione e tempra in olio. Il processo di

cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2), infatti, conferisce una

durezza inferiore che compromette il funzionamento delle ruote dentate. Verranno

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quindi trascurate le prove di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto

per gli acciai tradizionali e si prenderanno in considerazione, nell’effettuare questi

trattamenti termici innovativi, solamente gli acciai di nuova generazione.

Detti acciai sono particolarmente interessanti, nel caso del campo automobilistico,

per i seguenti motivi:

- maggiore resistenza delle ruote dentate per elevate sollecitazioni d’impiego,

causate all’impiego prevalentemente urbano dell’automobile;

- produzione molto elevata, dovuta alla tendenza di concentrare la produzione dei

cambi in poche unità produttive;

- necessità di ridurre i tempi di trattamento termico, che costituiscono una parte

notevole del tempo totale di produzione.

Lo studio affronterà le seguenti argomentazioni:

Nel Capitolo 2 verrà fatta un’introduzione teorica sui trattamenti termici e verranno

messi in particolare risalto i trattamenti di cementazione e tempra, fondamentali per

la trattazione dello studio.

Nel Capitolo 3, che rappresenta la parte principale della ricerca, verranno descritti gli

acciai presi in considerazione e le prove di laboratorio effettuate: analisi chimica,

determinazione della dimensione del grano austenitico e banda di temprabilità

Jominy. Verranno messi a confronto i dati richiesti da specifica con le prove ottenute

sperimentalmente per ogni tipo di acciaio, e verranno messi a confronto gli acciai

studiati.

Nel Capitolo 4 verranno fatte delle comparazioni di durezza e struttura tra un solo

acciaio tradizionale ed uno solo innovativo, con relativi commenti, dal momento che

le caratteristiche che verranno enunciate sono simili per ciascuna tipologia di acciaio.

Nel Capitolo 5 verranno descritte le curve CCT e le fasce di temprabilità degli acciai

tradizionali ed innovativi: verranno messi a confronto i risultati ottenuti ed

evidenziate le differenze per ogni acciaio.

Nel Capitolo 6 verranno descritti i forni per cementazione in bassa pressione e

tempra in gas azoto (N2).

Nel Capitolo 7 saranno riportate le considerazioni finali con valutazioni sulle

migliorie che si apportano alle caratteristiche dei pezzi, sui vantaggi di tipo

economico che si ottengono e sull’impatto ambientale.

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Lo studio è stato svolto presso l’azienda Tekfor di Avigliana (To); in Fig.1 viene

riportata una veduta dello stabilimento: essa fa parte del Gruppo Neumayer,

specializzato da oltre cinquanta anni nella progettazione e realizzazione di

componenti meccaniche di precisione per l’industria automobilistica. Il Gruppo ha

sede ad Hausach, nella Foresta Nera in Germania, ed affronta una produzione

annuale di 130 milioni di pezzi, una gamma di 1200 prodotti di serie, ed una media

di 300 tonnellate di acciaio lavorate al giorno.

Fig.1

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CAPITOLO 2

TRATTAMENTI TERMICI

2.1 GENERALITA’ Per trattamenti termici si intendono quelle operazioni o successioni di operazioni

termiche alle quali viene sottoposto l’acciaio allo scopo di ottenere una determinata

struttura e determinate proprietà finali, con variazioni più o meno accentuate rispetto

a quelle di partenza. Le parti essenziali in cui può venire suddiviso un trattamento

termico sono tre:

- riscaldamento;

- mantenimento ad una certa temperatura;

- raffreddamento da tale temperatura secondo leggi determinate.

I trattamenti termici che in questo studio si considerano sono di cementazione e

tempra.

2.2 PUNTI CRITICI Prima di passare a considerare i trattamenti termici è necessario ricordare alcune

nozioni che servono a chiarire gli aspetti fondamentali delle trasformazioni strutturali

che sono collegati direttamente o indirettamente con i trattamenti termici industriali.

I diagrammi di stato sono indispensabili per determinare le condizioni del

trattamento termico, ma non sono sufficienti per comprendere tutti i fenomeni

collegati con i trattamenti stessi (in Fig.1 viene riportato il diagramma di stato Fe –

C). E’ necessario infatti conoscere l’influenza della velocità di riscaldamento o di

raffreddamento sulle trasformazioni indicate dai diagrammi di stato.

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Osservando la curva dilatometrica riportata in Fig.2 di un acciaio al carbonio si nota

che, aumentando la temperatura, il campione si dilata regolarmente fino ad una certa

temperatura a cui ha inizio una prima anomalia (Ac1), al termine della quale (Ac3) la

curva continua ad avere un andamento ascendente. Se si inizia il raffreddamento,

dopo aver raggiunto una certa temperatura, la curva ha un andamento discendente

perché il campione si contrae. Anche durante il raffreddamento si nota un’anomalia,

l’inizio e la fine della quale corrispondono rispettivamente ai punti critici Ar3 e Ar1.

Le temperature di questi punti critici non sono solo funzione della composizione

chimica dell’acciaio, ma in uno stesso acciaio variano col variare della velocità con

la quale il pezzo si riscalda o si raffredda.

Si fa distinzione tra:

- Ac1, temperatura alla quale l’austenite euttettoide comincia a formarsi nella

condizione di riscaldo;

- Ar1, temperatura alla quale la trasformazione dell’austenite eutettoide in ferrite e

cementite avviene nel corso del raffreddamento;

- Ac3, temperatura alla quale la trasformazione ferrite – austenite è completa nelle

condizioni di riscaldo;

- Ar3, temperatura alla quale l’austenite comincia a trasformarsi in ferrite al

raffreddamento.

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Fonte: W.Nicodemi, METALLURGIA, Masson Italia Editori, Milano 1995.

Fig.1

Diagramma di Stato Fe-C

Questo diagramma mostra le fasi (fase liquida, soluzione solida δ, soluzione solida γ,

soluzione solida α, carburo di ferro Fe3C) che si hanno alle varie temperature e per i

diversi tenori di carbonio, in condizioni di equilibrio.

Alle fasi solide del diagramma Fe – C corrispondono altrettante strutture degli acciai:

ferrite δ (soluzione solida δ), austenite (soluzione solida γ), ferrite (soluzione solida α),

cementite Fe3C.

Altri costituenti strutturali si ottengono inoltre quando due fasi si formano

contemporaneamente da una terza, a temperature definite; tali soluzioni sono la

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ledeburite (formata di soluzione solida γ e da carburo di ferro) e la perlite (formata da

soluzione solida α e da carburo di ferro, disposti a lamelle alternate).

Il diagramma Fe-C cui ci si riferisce è più propriamente chiamato Fe-Fe3C, in quanto è

interrotto in corrispondenza della verticale che rappresenta il campo di esistenza del

carburo di ferro (il tenore di C presente è pari al 6,67% in peso).


Fig.2

2.3 CEMENTAZIONE Mettendo un pezzo di acciaio sopra Ac3 in contatto con sostanze contenenti carbonio

(ed in particolare con sostanze capaci di sviluppare col riscaldamento monossido di

carbonio CO), si forma una lega superficiale a maggior contenuto di carbonio. Si

ottiene così un prodotto che presenta uno strato superficiale durissimo e resistente

all’usura, unitamente ad un cuore tenace.

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Per attuare il processo di diffusione del carbonio nell’acciaio occorre che il pezzo sia

riscaldato sopra Ac3, in quanto il carbonio per entrare in soluzione deve trovare

l’acciaio allo stato austenitico. L’intervallo di temperatura entro cui si opera è di

solito compreso tra 870 e 970°C. La cementazione sarebbe possibile anche sotto il

punto Ac3, fra 723 e 900 °C circa, ma oltre a richiedere molto tempo (per la presenza

anche di ferro α e perché il coefficiente di diffusione è molto basso), essa avviene

irregolarmente con eccesso di carbonio sotto forma di cementite negli strati più

esterni, dato che esso si diffonde a stento in quelli sottostanti. D’altra parte a

temperature superiori a circa 970 °C non conviene salire per ragioni economiche e

per non danneggiare i prodotti (ingrossamento del grano, distorsione dei pezzi, ecc.)

anche se l’operazione sarebbe più breve. La profondità di cementazione viene quindi

variata essenzialmente in funzione del tempo di mantenimento.

Le sostanze cementanti possono essere:

• l’ossido di carbonio;

• il carbonio depositato sul pezzo in uno stato di estrema suddivisione (esso può

essere depositato sui pezzi ad opera di una corrente gassosa di idrocarburi, per

esempio metano che, ad alta temperatura per azione catalitica del ferro, si

decompone;

• il cianogeno che è una sostanza cementante particolarmente attiva.

Negli ultimi anni sono nati processi innovativi di cementazione in bassa pressione, di

cui si parlerà ampiamente durante lo studio, che utilizzano nuove sostanze

cementanti: propano con una piccola percentuale di butano che a 960 °C crackizza e

libera C.

I pezzi cementati, per acquistare le proprietà di durezza che l’operazione si propone,

devono subire successivamente un trattamento termico consistente in una tempra.

2.4 TEMPRA La temprabilità di un acciaio è l’attitudine che ha ad assumere più o meno una

struttura martensitica.

L’operazione di tempra consiste nel:

- riscaldare l’acciaio sopra il punto Ac3;

- mantenerlo a tale temperatura un tempo sufficiente ad assicurare in tutte la parti

del pezzo struttura austenitica;

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- raffreddarlo con velocità superiore a Vs (velocità critica superiore di

raffreddamento), in modo da fargli acquistare a temperatura ambiente la struttura

martensitica, caratterizzata da grande durezza e fragilità.

Per evitare fenomeni di surriscaldamento, che provocano l’ingrossamento del grano,

la temperatura alla quale deve essere portato l’acciaio prima di essere temprato,

denominata “temperatura di tempra”, deve essere di una cinquantina di gradi sopra

Ac3 e non di più.

Il rapido raffreddamento necessario alla tempra dell’acciaio si ottiene immergendo il

pezzo in un mezzo temprante che può essere acqua, soluzioni saline, olio, metalli

fusi, aria soffiata o semplicemente aria. L’evoluzione della tecnologia permette ora di

ottenere il raffreddamento anche mediante l’utilizzo di gas, come l’azoto (N2), che

porta a notevoli vantaggi che verranno spiegati durante la trattazione dello studio.

Per migliore chiarezza vengono riportate le curve TTT (Time Temperature

Transformation) e CCT (Continuos Cooling Transformation) per le leghe Fe–C

riportate in Fig.3.


Fig.3

13

Curve TTT e CCT

I diagrammi TTT consentono di interpretare le trasformazioni dell’austenite durante la

permanenza a temperatura costante al di sotto del suo campo di stabilità. Per poter

costruire un diagramma TTT i provini di acciaio vengono raffreddati velocemente dalla

temperatura di austenitizzazione a diverse temperature di trasformazione e sono

mantenute a tali temperature per differenti durate. In un diagramma TTT (con il tempo

riportato in scala logaritmica), vengono indicati, per ogni temperatura di trasformazione,

i tempi di inizio e fine trasformazione. Congiungendo fra loro tali punti si ottengono le

curve del diagramma TTT.

I diagrammi CCT non sono altro che i corrispondenti dei diagrammi TTT, validi però

per raffreddamento continuo a velocità costante. Per la costruzione di un diagramma

CCT per trasformazioni con raffreddamento continuo, l’andamento della trasformazione

dell’austenite è analogo a quello già descritto.

Confrontando i diagrammi TTT con quelli CCT risulta che nei primi le trasformazioni

devono essere seguite lungo linee orizzontali, mentre nei secondi lungo le curve di

raffreddamento.

I fattori che influenzano la posizione delle curve nei diagrammi TTT e CCT vengono

qui di seguito, in Fig.4, schematizzati.

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Fig.4

2.5 RINVENIMENTO Il rinvenimento è un trattamento termico effettuato su un prodotto allo stato temprato

al fine di provocare modificazioni che gli conferiscano le caratteristiche di impiego

volute. In generale serve a distruggere l’eccessiva durezza e fragilità acquisita

dall’acciaio con la tempra, nonché lo stato di tensione del materiale dovuto al brusco

raffreddamento.

Il ciclo termico comprende:

- una permanenza per un tempo sufficiente ad una temperatura inferiore ad Ac1;

- un raffreddamento fino a temperatura ambiente secondo una legge fisica.

Con tale trattamento si permette all’acciaio che si trova in uno stato di equilibrio

instabile di modificare la sua struttura, nel senso di avvicinarsi a quella di equilibrio

di tanto quanto è consentito dalla temperatura di rinvenimento.

In generale, il rinvenimento si traduce in una diminuzione di durezza, rappresentata

in Fig.5.

15


Fig.5

L’abbassamento di durezza appena descritto, porta ad un miglioramento delle

caratteristiche di duttilità.

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CAPITOLO 3

PROVE DI LABORATORIO

3.1 INTRODUZIONE Nel presente capitolo verranno trattati cinque acciai differenti. Tre possono essere

considerati di “tipo innovativo”, ossia adatti a trattamenti termici di cementazione in

bassa pressione e tempra in gas azoto (N2). Per mettere in evidenza i vantaggi che

questi presentano, vengono confrontati con due acciai che possono essere considerati

di “tipo tradizionale”, ossia adatti a trattamenti termici di cementazione in endogas e

tempra in olio.

Gli acciai considerati sono i seguenti:

• Acciai innovativi:

1. 27MnCr5G;

2. 20MoCrS4;

3. 23MnCrMo5 JOMASCO.

• Acciai tradizionali:

1. 17NiCrMo7G;

2. 19MnCr5G.

Verranno riportate le composizioni chimiche dei cinque acciai e le bande di

temprabilità Jominy che permetteranno di descrivere le caratteristiche che

presentano, oltre alle dimensioni del grano austenitico, che deve essere compreso in

un preciso intervallo, per avere così garantita una temprabilità omogenea.

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3.1.1 COMPOSIZIONE CHIMICA La composizione chimica degli acciai permette di valutare in percentuale la presenza

dei principali elementi che li compongono, al fine di poterne determinare le

proprietà.

L’elemento principale in questa classe di acciai da cementazione è il carbonio (C). Il

carbonio non supera mai lo 0.30%: sotto questo valore viene garantito un corretto

arricchimento di carbonio sulla superficie.

Negli acciai “legati” che verranno studiati sono presenti in percentuali opportune,

almeno più dell’1%, elementi quali manganese (Mn), cromo (Cr), molibdeno (Mo) e

nichel (Ni).

In modo approssimativo e quantitativo si può dire che gli elementi leganti possono

essere divisi in:

• “austenitizzanti” che spostano verso destra le curve di Bain, aumentando quindi i

tempi di incubazione ed ampliando il campo di esistenza dell’austenite

metastabile;

• “alfogeni” che spostano in alto le curve di Bain.

Tutti gli elementi leganti comunque sposta in basso i punti Ms e Mf.

Nella Fig.1 sono riportate schematicamente le possibili variazioni descritte.

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Fig.1

Per determinare la composizione chimica degli acciai considerati si utilizza un

quantometro ad emissione con spettrometro sottovuoto e sorgente e stativo in gas

argon.

Lo spettrometro impiegato è del tipo ARL con possibilità di analisi di diciassette

elementi. L’analisi chimica viene rilevata in modo automatico dalla lettura delle

lunghezze d’onda della luminosità dello spettro di emissione di ogni elemento. La

lettura viene eseguita in automatico dal computer, che permette di visualizzare,

stampare ed archiviare l’analisi chimica secondo la certificazione internazionale ISO

TS 16949.

3.1.2 DIMENSIONE DEL GRANO AUSTENITICO Le modalità di determinazione della dimensione del grano austenitico negli acciai

comuni e speciali permettono sia di mettere in evidenza i suoi contorni che di

misurarne le dimensioni medie; dopo una serie di operazioni riguardanti il prelievo e

la preparazione dei campioni (unificate dalle varie norme) con un esame al

19

microscopio si confronta direttamente l’immagine del campione con una serie di

reticoli tipo (in Fig.2 sono riportati quelli previsti dall’ASTM, quelli più

diffusamente usati).

Fonte: W.Nicodemi, METALLURGIA, Masson Italia Editori, Milano 1995. Fig.2

Serie di otto reticoli a 100 ingrandimenti con dimensione dei grani normalmente

decrescenti.

3.1.3 MISURA DELLA TEMPRABILITA’ DI UN ACCIAIO Per misurare la temprabilità degli acciai considerati è stato utilizzato il metodo

Jominy. Il campione è costituito da un tondino cilindrico di base 1 pollice e

lunghezza 4 pollici. Esso è tenuto per 30 minuti a temperatura di tempra e portato in

5 secondi nell’apparecchio standard con la base a distanza di ½ pollice da un getto di

acqua a 24 °C, fuoriuscente verticalmente da un ugello di identico diametro e capace

di arrivare all’altezza della base superiore del provino (Fig.3).

20


Fig.3

Si eseguono misure di durezza sulla superficie della barra Jominy, lungo una

generatrice del cilindro (Fig.4). La prova fornisce una correlazione tra la velocità di

raffreddamento (che diminuisce con l’aumento di h) e la durezza, e permette con

un’unica esperienza di dedurre le bande di temprabilità dell’acciaio in esame.

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Fig.4

La temprabilità di un acciaio si può determinare anche seguendo il metodo di

Grossmann.

Il metodo di Grossmann si propone di determinare per ogni tipo di acciaio in forma

di barre tonde un parametro che, prescindendo dalla severità della tempra, esprima in

via assoluta un indice di temprabilità.

Grossmann identifica come parametro di valutazione il diametro ideale (Di). Il Di è il

diametro del tondo che temprato in un mezzo di drasticità infinita abbia al cuore

dopo tempra esattamente il 50% di martensite (con durezza corrispondente a struttura

con 50% di martensite) ed il resto costituito da prodotti non martensitici.

Il ricorso al concetto di mezzo di drasticità infinita, permette di legare il diametro

ideale esclusivamente al tipo di acciaio, svincolandolo così dalla modalità di

raffreddamento. Tanto maggiore risulta il diametro ideale, tanto maggiore è la

temprabilità di un acciaio.

La temprabilità può essere calcolata a partire dalla composizione negli acciai a basso

e medio contenuto di elementi in lega, facendo attenzione a considerare per ogni

elemento la quantità in soluzione alla temperatura di austenizzazione e tenendo conto

della dimensione del grano, è possibile, utilizzando il diagramma di Fig. 5, ricavare

22

un valore di prima approssimazione per il diametro ideale, chiamato Dbase. In

generale si può affermare che tale valore può essere espresso dalla seguente relazione

algebrica:

Dbase=K*√ %C

ove K è funzione del grano austenitico.

Questa funzione è ricavabile interpolando le curve in Fig.5. Per quanto riguarda gli

elementi di lega, le curve di Fig.6 indicano i fattori moltiplicativi che corrispondono

ad ogni elemento di lega. I fattori così ottenuti, moltiplicati per il diametro base,

ricavato dal grafico di Fig.5, consentono di giungere al valore del diametro ideale.

Fonte: Autori Vari, Progetto Jominy, Nota divulgativa N° 94/01, Lucchini Centro Ricerche e Sviluppo,

Brescia 1994.

Fig.5

23

Fonte: Autori Vari, Progetto Jominy, Nota divulgativa N° 94/01, Lucchini Centro Ricerche e Sviluppo,

Brescia 1994.

Fig.6

Di questo metodo si trovano le specifiche nella norma UNI 3150-74. I coefficienti

moltiplicativi sono ordinati in tabelle, in funzione della percentuale dell’elemento in

lega.

Grossmann nel suo studio trascura di prendere in considerazione il rame. Altri autori,

però, hanno trovato per questo elemento un fattore moltiplicativo paragonabile a

quello del nichel, almeno per bassi tenori di rame.

A seguito di alcune considerazioni sulle procedure di calcolo dell’algoritmo di

Grossmann, si può affermare che le curve di trasformazione CCT degli acciai si

spostano verso destra proporzionalmente al tenore di carbonio, col quadrato del

tenore degli elementi di lega e circa con la radice quadrata della dimensione del

grano austenitico.

Questo metodo che permette di ricavare risultati precisi per la misura della

temprabilità, è però poco utilizzato a livello industriale, dove si ottengono le curve di

temprabilità in modo sperimentale. Nello studio, quindi, non viene riportata la misura

della temprabilità ottenuta seguendo il metodo di Grossmann.

24

3.1.3.1 MISURA DELLA DUREZZA La durezza può essere definita come la resistenza opposta alla penetrazione di un

altro corpo. La misura delle dimensioni dell’impronta lasciata dal penetratore è il

parametro che definisce la proprietà di durezza di un materiale. Su questo principio si

basano le prove di durezza Vickers e Rockwell che vengono usate nella prova di

temprabilità Jominy.

Per quanto riguarda la prova di durezza Rockwell, questo metodo utilizza due tipi

differenti di penetratori: uno, in diamante, per materiali molto duri a forma di cono

con apertura di 120°, ed un altro in acciaio temprato, a forma di sfera di 1.5875 mm

di diametro, destinata a materiali dolci. La misura della durezza è valutata

direttamente a partire dalla misura della profondità dell’impronta che il penetratore

produce. Le modalità di prova sono le seguenti: sul penetratore è applicato un carico

preliminare F0 il cui modulo varia a seconda del tipo di scala di misura utilizzata

(98 N nel caso si usi la scala C). Questa forza F0 produce un’impronta che non viene

misurata. Dopo aver azzerato l’indice dell’indicatore di profondità, si applica un

secondo carico F1 (di un valore massimo di 1372 N) che si somma alla forza iniziale

F0. Si lascia agire il carico totale per un tempo determinato, quindi viene tolto il

carico F1. La durezza Rockwell è data dalla differenza tra un numero fisso (100 per

il penetratore a cono, 130 per quello a sfera) e la penetrazione permanente provocata

nel passaggio da F0 a F0 + F1 (Fig.7). Le scale sono già graduate in modo da dare

direttamente tale differenza (l'unità di misura di “e” è uguale a 0.002 mm per la scala

C).

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Fig.7

Per quanto riguarda la prova di durezza Vickers, si deve far penetrare un punzone di

diamante, che termina con una piramide a base quadrata con angolo al vertice di

136°, nel materiale di cui si vuole cambiare la misura di durezza.

Il parametro che caratterizza la durezza è la misura della superficie dell’impronta del

penetratore. Il carico da applicare è funzione della durezza del pezzo. La rilevazione

della diagonale viene effettuata mediante l’utilizzo di un microscopio a causa delle

ridotte dimensioni dell’impronta. La misura della durezza è immediatamente

calcolabile eseguendo il rapporto tra il carico P applicato e la misura delle diagonali.

Per ottenere la massima accuratezza nelle misure è necessario che le superfici siano

rifinite con la massima precisione. E’ riportato in Fig.8 un disegno del penetratori.

26

Fonte: W.Nicodemi, METALLURGIA, Masson Italia Editori, Milano 1995. Fig.8

E’ riportata in Tab.1 la comparazione dei valori di durezza Rockwell (HRc) e

Vickers (HV).

Tab.1

TABELLA DI CONVERSIONE HV – HRc

HV HRc HV HRc HV HRc

410 41.8 491 48.5 591 54.7

425 43.1 508 49.6 615 56

440 44.5 528 51 640 57.3

455 45.7 547 52.1 667 58.7

472 47.1 569 53.5 697 60

27

3.2 ACCIAI INNOVATIVI Vengono ora riportati gli acciai innovativi, oggetto dello studio:

• 27MnCr5G;

• 20MoCrS4;

• 23MnCrMo5 JOMASCO.

3.2.1 ACCIAIO 27MnCr5G Premesso che il carbonio è l’elemento che ha la maggiore influenza sulla durezza

degli acciai in tutti gli stati del trattamento termico e soprattutto allo stato di tutta la

tempra, vediamo ora l’influenza dei principali elementi leganti.

• Manganese (Mn)

Il manganese allarga il campo di esistenza dell’austenite ed abbassa la temperatura

del punto A3; sposta verso tenori più bassi di carbonio il punto eutettoide.

Le principali variazioni di proprietà provocate dalla presenza di manganese

nell’acciaio si possono così riassumere:

1. diminuzione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento della

temprabilità;

2. miglioramento del complesso resistenza – tenacità in tutti gli stati di trattamento

termico; è dovuto alla sua influenza come elemento disciolto nella matrice;

3. straordinaria resistenza alle sollecitazioni di usura, grazie all’elevatissima

capacità di incrudimento dell’austenite nel manganese.

Gli svantaggi che il manganese provoca sono che rende l’acciaio molto sensibile al

surriscaldo ed alla fragilità da rinvenimento: questi inconvenienti, però, non

riguardano il campo della cementazione e della tempra.

• Cromo (Cr)

Il cromo restringe il campo di esistenza dell’austenite ed innalza la temperatura del

punto A3.

Le principali variazioni di proprietà, originate dalla presenza del cromo nell’acciaio,

sono:

1. diminuzione della velocità di raffreddamento e conseguente aumento di

temprabilità, condizionata all’adozione di una temperatura di riscaldo

sufficientemente elevata per portare in soluzione carburi contenenti cromo;

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2. miglioramento del complesso resistenza – tenacità in tutti gli strati di trattamento.

E’ dovuto all’influenza dell’elemento disciolto nella matrice e anche all’effetto

affinante esercitato dai carburi indisciolti al riscaldo;

3. aumento della durezza e della resistenza all’usura. E’ dovuto alla maggior

quantità di carburi liberi, in relazione allo spostamento del punto eutettoide ed

alla scarsa solubilità dei carburi stessi nell’austenite;

4. miglioramento della resistenza meccanica alle alte temperature.

Come conseguenza del complesso di proprietà che impartisce, il cromo ha trovato

vastissimo impiego nel campo degli acciai.

3.2.1.1 ANALISI DEI VALORI RICHIESTI I dati riportati sono quelli richiesti dalle norme Renault 11 02 225.

COMPOSIZIONE CHIMICA (%)

Viene riportata in Tab.2 la composizione chimica richiesta dell’acciaio considerato.

Tab.2

C Mn Si Cr B

0.23

0.31

1.10

1.40

0.10

0.40

1.00

1.30

<0.0005

Ti Cu S P Al

<0.0025 <0.30 0.025

0.040

<0.030 0.015

0.040

Gli elementi presenti nell’acciaio, oltre al manganese ed al cromo già descritti, sono:

• Silicio (Si): accresce la temprabilità, riduce la percentuale di carbonio alla quale

si forma l’eutettoide ed innalza la temperatura di austenitizzazione;

• Boro (B): aumenta la temprabilità dell’acciaio, in valori compresi entro il

0.007%. A differenza degli altri acciai legati, gli acciai al boro non presentano

maggiore temprabilità se sono austenizzati a temperatura molto al di sopra del

29

normale intervallo di tempra, ma, al contrario, subiscono una diminuzione di

temprabilità con l’aumentare della temperatura di tempra;

• Titanio (Ti): è usato assieme all’alluminio per il controllo della grandezza del

grano austenitico degli acciai;

• Rame (Cu): aumenta la resistenza allo snervamento, senza influenzare la duttilità:

il rame, infatti, dà resistenza alla matrice ferritica;

• Zolfo (S): presenta nell’acciaio un aspetto nocivo (crea solfuri che aumentano la

fragilità dell’acciaio), perciò normalmente si tenta di eliminarne la maggior

quantità possibile. I vantaggi dello zolfo sono che migliora la lavorabilità

dell’acciaio;

• Fosforo (P): aumenta la resistenza a trazione ed a corrosione dell’acciaio senza

causarne infragilimento;

• Alluminio (Al): costituisce l’aggiunta più efficace per controllare la grandezza

del grano, ma tende ad aumentare l’incidenza a rottura delle zone superficiali o

centrali: è per questo che ne viene limitata la presenza e si utilizza anche Titanio.

DIMENSIONE GRANO AUSTENITICO

Deve risultare 5 – 8 secondo UNI 3245 metodo M.Q.E.*

*La dimensione del grano austenitico deve rientrare in questo intervallo, per

garantire una temprabilità omogenea.

TEMPRABILITÀ JOMINY (HRC)

In Tab.3 viene riportata la banda di temprabilità Jominy richiesta.

Tab.3

Distanza (mm) Min Max

3 46.5 50.5

7 43.5 47.5

11 37 43

30

Viene riportata in Fig.9 la banda della temprabilità Jominy richiesta.

Banda di TMP Jominy

35

40

45

50

55

3 7

distanza dalla base (mm)

dure

zza

HR

c

11

Fig.9

Come si può vedere dalla Fig.9, la banda di temprabilità richiesta è piuttosto stretta e

con valori poco decrescenti, in modo da garantite una buona omogeneità strutturale

con miglioramento delle tensioni esistenti sul pezzo dopo la tempra.

3.2.1.2 DISPERSIONE DEI VALORI SU CINQUE COLATE L’acciaio è fornito dalle acciaierie ASCOMETAL a TEKFOR

Descritte le caratteristiche volute sull’acciaio, vengono ora riportate le analisi

chimiche, le dimensioni del grano austenitico e le curve di temprabilità di cinque

colate differenti dell’acciaio 27MnCr5G.


Viene riportata in Tab.4 la composizione chimica delle cinque colate dell’acciaio

considerato.

31

Tab.4

N°

Col.

C Mn Si Cr B Ti Cu S P Al

1 0.251 1.161 0.227 1.067 .0001 0.002 0.185 0.030 0.014 0.022

2 0.254 1.184 0.235 1.085 .0002 0.002 0.140 0.027 0.011 0.021

3 0.245 1.168 0.224 1.075 .0003 0.002 0.187 0.031 0.018 0.019

4 0.252 1.184 0.245 1.078 .0003 0.002 0.187 0.030 0.016 0.023

5 0.252 1.164 0.230 1.078 .0003 0.002 0.156 0.030 0.011 0.024

Vengono riportati nei diagrammi di Fig.10, Fig.11, Fig.12 le percentuali dei

principali elementi chimici principali presenti nell’acciaio 27MnCr5G.

% di C

0

0,1

0,2

0,3

0,4

min col.1 col.2 col.3 col.4 col.5 max

Fig.10

32

% di Mn

0

0,5

1

1,5


Fig.11

% di Cr

0

0,5

1

1,5


Fig.12

della omogeneità del pezzo e miglioramento

elle caratteristiche meccaniche.

Come si può vedere dai tre diagrammi qui riportati, gli elementi C, Mn e Cr, oltre

seguire le specifiche di richiesta, stanno in un range molto ristretto. Ciò è molto

importante, perché in questo modo il valore di temprabilità Jominy è reso più

costante, con conseguente aumento

d

33


o riportate in Tab.5 le dimensioni del grano austenitico rilevate nelle cinque

colate.

Tab

colata mensione UNI 3245 M.Q.E.

Vengon

.5

N° Di

1 7

2 7

3 7

4 7

5 7

Le dimesioni del grano austenitico soddisfano le caratteristiche richieste. Questa

caratteristica è basilare per il controllo della temprabilità Jominy: la costanza dei

alori sulle forniture è garanzia di uniformità sul prodotto finito.

EMPRABILITÀ JOMINY (HRC)

6 vengono riportati i valori di temprabilità Jominy richiesti per le cinque

olate.

b

v

T

In Tab.

c

Ta .6

mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm

Col. 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 40 50

1 50.6 49.4 48 45.7 43.2 39.9 37.8 36.7 35 33.5 33.4 33.4 32.7

2 50.7 49.3 48.1 46.3 43.6 40.9 38.6 37.4 35.1 34.4 33.6 33.6 33.4

3 49.8 49.1 47.8 45.4 42.5 39.7 37.7 36.7 34.2 33 32.2 32.2 31

4 50 49.3 47.9 45.9 42.8 39.7 38.1 36.7 33.7 32.4 31.5 31.3 30.2

5 49.3 48.7 46.5 44 40.3 38 36.1 34.4 32.7 31.5 30.9 29.7 27.2

Viene riportata in Fig.13 la curva di temprabilità delle cinque colate dell’ acciaio

7MnCr5G 2

34

Curve di TMP Jominy (5 colate)

35

40

45

50

55

3 7 11

distanza base mm dallaFig.13

iuttosto ristretta, a dimostrazione delle

himica costante, le curve TMP devono necessariamente stare in una

scia ristretta.

allo stato di tutta la

mpra, vediamo ora l’influenza dei principali elementi leganti.

mperatura

quella del cromo; il Mo ha

I valori ottenuti per la curva di temprabilità delle cinque colate, oltre stare nel range

di specifica richiesta, stanno in una fascia p

buone caratteristiche di qualità dell’acciaio.

Questo era prevedibile anche dall’analisi chimica, dal momento che essendo la

composizione c

fa

3.2.2 ACCIAIO 20MoCrS4 Premesso che il carbonio è l’elemento che ha la maggiore influenza sulla durezza

degli acciai in tutti gli stati del trattamento termico e soprattutto

te

• Molibdeno (Mo)

Il molibdeno restringe il campo di esistenza dell’austenite ed innalza la te

del punto A3; sposta verso tenori di carbonio più bassi il punto eutettoide.

La sua distribuzione ai costituenti strutturali è simile a

però una maggiore tendenza alla formazione di carburi.

35

La presenza del molibdeno nell’acciaio esercita, da un punto di vista pratico, i

seguenti effetti:

1. diminuzione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento di

el cromo, di entità superiori a

viscoso a caldo.

za del complesso di proprietà che impartisce, il cromo ha trovato

(Cr)

3.

o di

tutti gli strati di trattamento.

. E’ dovuto alla maggior

nto eutettoide ed

a alle alte temperature.

uenza del complesso di proprietà che impartisce, il cromo ha trovato

iene dai

di migliorare la lavorazione meccanica alle macchine utensili, esso viene

ppositamente aggiunto (in quanto i solfuri consentono lo spezzettamento del

uciolo).

temprabilità, alle condizioni indicate a proposito d

quelle realizzabili da tale elemento;

2. aumento della durezza e della resistenza all’usura;

3. aumento della resistenza allo scorrimento

Come conseguen


• Cromo


punto A


sono:

1. diminuzione della velocità di raffreddamento e conseguente aument


sufficientemente elevata per portare in soluzione carburi contenente cromo;

2. miglioramento del complesso resistenza – tenacità in



3. aumento della durezza e della resistenza all’usura

quantità di carburi liberi, in relazione allo spostamento del pu


4. miglioramento della resistenza meccanic

Come conseg


• Zolfo (S)

Lo zolfo è contenuto in tutti gli acciai, in piccoli tenori, in quanto prov

minerali di partenza. Di norma è un’impurezza nociva perché si presenta sotto forma

di solfuri (in genere di Mn) che riducono la tenacità in traverso dell’acciaio.

Allo scopo

a

tr

36

3.2.2.1 ANALISI DEI VALORI RICHIESTI I dati riportati sono quelli richiesti dalle norme Getrag GN 1022.


iene riportata in Tab.7 la composizione chimica richiesta dell’acciaio considerato.

Tab

•

V

.7 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Cu

0.19

0.22 0.25 0.90

<0.035

0.030 0.85 0.50

<0.25 0.020

0.040

0.25 0.15 0.60 0.020 0.50 0.40

Gli elementi presenti nell’acciaio, oltre al molibdeno, al cromo ed allo zolfo già

io alla quale

del punto A3; sposta verso tenori più bassi di carbonio il punto

resistenza a trazione ed a corrosione dell’acciaio senza

ra

o

, senza influenzare la duttilità:

il rame, infatti, dà resistenza alla matrice ferritica.

descritti, sono:

• Silicio (Si): accresce la temprabilità, riduce la percentuale di carbon


• Manganese (Mn): allarga il campo di esistenza dell’austenite ed abbassa la

temperatura

eutettoide;

• Fosforo (P): aumenta la


• Nichel (Ni): allarga il campo di esistenza dell’austenite, abbassa la temperatu

del punto A3 e sposta verso tenori più bassi di carbonio il punto eutettoide;


del grano, ma tende ad aumentare l’incidenza a rottura delle zone superficiali

centrali: è per questo che ne viene limitatala presenza e si utilizza anche titanio;

• Rame (Cu): aumenta la resistenza allo snervamento

37


eve risultare 5 – 8 secondo UNI 3245 metodo M.Q.E.*

co deve rientrare in questo intervallo, per

arantire una temprabilità omogenea.

EMPRABILITÀ JOMINY (HRC)

Tab.8 viene riportata la banda di temprabilità Jominy richiesta.

Tab.8 anza (mm)

D

*La dimensione del grano austeniti

g

T

In

Dist Min Max

1.5 42 47

3 41 46

5 39 45

7 37 43

11 31 38

15 28 35

20 27 32

25 25 30

30 23 29

Viene riportata in Fig.14 la banda di temprabilità Jominy richiesta.

38

Banda di TMP Jominy

20253035404550

1,5 3 5 7 11 15 20 25 30

distanza dalla base mm

dure

zza

HR

c

Fig.14

Come si può vedere dalla Fig.14, la banda di temprabilità richiesta è piuttosto stretta,

ma, rispetto all’acciaio 27MnCr5G ha valori più decrescenti: esso è infatti l’acciaio

più vecchio per l’impiego della cementazione in bassa pressione ed ha caratteristiche

per molti versi ancora simili a quelle degli acciai tradizionali. Pur non presentando

tutti i vantaggi degli acciai di nuovissima generazione, ha comunque il pregio di

poter essere impiegato nei trattamenti termici innovativi, con tutti i vantaggi che ne

conseguono.

3.2.2.2 DISPERSIONE DEI VALORI SU CINQUE COLATE L’acciaio è fornito dalle acciaierie ASCOMETAL a TEKFOR



colate differenti dell’acciaio 20MoCrS4.


Viene riportata in Tab.9 la composizione chimica delle cinque colate dell’acciaio

considerato.

39

b.9

lata

C Si Mn P S Cr Mo Ni Al Cu

Ta

N°

co

1 0.210 0.230 0.830 0.009 0.026 0.836 0.488 0.112 0.026 0.163

2 0.220 0.238 0.857 0.007 0.029 0.850 0.500 0.121 0.028 0.216

3 0.201 0.219 0.863 0.006 0.029 0.850 0.500 0.134 0.020 0.193

4 0.206 0.217 0.848 0.009 0.027 0.848 0.490 0.146 0.031 0.242

5 0.204 0.224 0.843 0.006 0.027 0.850 0.500 0.187 0.026 0.202

Vengono riportati nei diagrammi di Fig.15, Fig.16, Fig.17, Fig.18 le percentuali degli

elementi chimici principali presenti nell’acciaio 20MoCrS4.

Fig.15

% di C

0,17

0,18

0,19

0,2

0,21

0,22

0,23


40

% di S

0

0,01

0,02

0,03

0,04


Fig.16

% di Mo

0

0,2

0,4

0,6


Fig.17

Fig.18

% di Cr

0

0,2

0,4

0,8

1

0,6


41

Come si può vedere dai quattro diagrammi qui riportati (per gli elementi principali

dell’acciaio in questione), gli elementi C, S, Mo e Cr seguono le specifiche di

richiesta e stanno, ad esclusione di C, in un range molto ristretto. Ciò vuol dire che la

mprabilità raggiunge comunque buoni livelli di omogeneità, dal momento che il C

fluenza solamente la temprabilità in superficie (J1.5 mm).

engono riportate in Tab.10 le dimensioni del grano austenitico rilevate nelle cinque

colate.

Tab.10

N° colata mensione UNI 3245 M.Q.E.

te

in


V

Di

1 7

2 7

3 7

4 7

5 7

Le di e s

ratt a d e J ny z

alori sulle forniture è garanzia di uniformità sul prodotto finito.


In Tab.11 vengono riportati i valori di temprabilità Jominy richiesti per le cinque

colate.

mesioni del grano aust nitico soddisfano le caratteri tiche richieste. Questa

ca eristic è basilare per il controllo ella t mprabilità omi : la costan a dei

v

42

Tab.11


Col. 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 40 50

1 45.2 45.1 44.1 41 37.2 34.4 31.2 31.1 29.2 27.2 26.1 25.6 25.5

2 45.3 44.9 44.6 42.3 38.7 36.4 34.1 31.9 29.9 28.7 27.6 26.4 25.5

3 45.1 44.9 44.6 42.7 39.4 36.7 34.5 33 30.3 28.7 27.3 26.7 26.4

4 44.9 44.7 44.3 42.5 39.3 36.8 34.8 32.8 29.8 28.5 27.3 25.8 25.5

5 44.4 44.2 42.4 39.8 36.8 34 32.6 31.2 28 27 26.7 25.8 24.7

Viene riportata in Fig.20 la curva di temprabilità delle cinque colate dell’acciaio

20MoCrS4.

curva di temprabilità delle cinque colate, oltre stare nel range

tta la

C urve d i TM P Jom iny (5 co la te)

25

35

30

201,5 3 5 7 11 15 20 25 30

distanza dalla base m m

40

45

50

Fig.20

I valori ottenuti per la

di specifica richiesta, stanno in una fascia piuttosto ristretta, a dimostrazione delle

buone caratteristiche di qualità dell’acciaio.

3.2.3 ACCIAIO 23MnCrMo5 JOMASCO

Premesso che il carbonio è l’elemento che ha la maggiore influenza sulla durezza

degli acciai in tutti gli stati del trattamento termico e soprattutto allo stato di tu


43

• Manganese (Mn)

Il manganese allarga il campo di esistenza dell’austenite ed abbassa la temperatura

del punto A3; sposta verso tenori più bassi di carbonio il punto eutettoide.

ariazioni di proprietà provocate dalla presenza di manganese

zione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento della

glioramento del complesso resistenza – tenacità in tutti gli stati di trattamento

mo nell’acciaio,

ddamento e conseguente aumento di

dizionata all’adozione di una temperatura di riscaldo

attamento.

arburi liberi, in relazione allo spostamento del punto eutettoide ed

roprietà che impartisce, il cromo ha trovato

Le principali v


1. diminu

temprabilità;

2. mi

termico; è dovuto alla sua influenza come elemento disciolto nella matrice;

3. straordinaria resistenza alle sollecitazioni di usura, grazie all’elevatissima


Gli svantaggi che il manganese provoca sono che rende l’acciaio molto sensibile al



• Cromo (Cr)


punto A3.

Le principali variazioni di proprietà, originate dalla presenza del cro

sono:

1. diminuzione della velocità di raffre

temprabilità, con


2. miglioramento del complesso resistenza – tenacità in tutti gli strati di tr



3. aumento della durezza e della resistenza all’usura. E’ dovuto alla maggior

quantità di c


4. miglioramento della resistenza meccanica alle alte temperature.

Come conseguenza del complesso di p


• Molibdeno (Mo)

Il molibdeno restringe il campo di esistenza dell’austenite ed innalza la temperatura

del punto A3; sposta verso tenori di carbonio più bassi il punto eutettoide.

44

La sua distribuzione ai costituenti strutturali è simile a quella del cromo; il

olibdeno ha però una maggiore tendenza alla formazione di carburi.

n punto di vista pratico, i

eguenti effetti:

abili da tale elemento;

. aumento della durezza e della resistenza all’usura;

. aumento della resistenza allo scorrimento viscoso a caldo.

proprietà che impartisce, il cromo ha trovato

astissimo impiego nel campo degli acciai.

3.2.3.1 ANALISI DEI VALORI RICHIESTI

do l’a sper e, no sono an a disp ne le iche

ste da ti, per cui vengono riportate le specifiche te dal tore

SCOMETAL.

m

La presenza del molibdeno nell’acciaio esercita, da u

s

1. diminuzione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento di

temprabilità, alle condizioni indicate a proposito del cromo, di entità superiori a

quelle realizz

2

3

Come conseguenza del complesso di

v

Essen cciaio imental n cora osizio specif

richie i clien impos produt

A



Tab.12

C Mn Si S Cr Mo Al

0.20

0.26

1.00

1.60

<0.40 * 1.00 0.10 0.015

1.40 0.25 0.040

*in base alle richieste: stampaggio a freddo, ecc.

Gli elementi presenti nell’acciaio, oltre al molibdeno, al cromo ed allo zolfo già

escritti, sono: d

45

• Silicio (Si): accresce la temprabilità, riduce la percentuale di carbonio alla quale

nitizzazione;

Zolfo (S): presenta nell’acciaio un aspetto nocivo (crea solfuri che aumentano la

llo zolfo sono che migliora la lavorabilità

dell’acciaio;

Alluminio (Al): costituisce l’aggiunta più efficace per controllare la grandezza

l’incidenza a rottura delle zone superficiali o

centrali: è per questo che ne viene limitatala presenza e si utilizza anche titanio.

DIMENSIONE GRANO AUSTENIT

ve risultare 5 – 8 secondo I 3245 metodo M.Q.E.*

dimensione del grano austenitico deve rientrare in questo intervallo, per

ntire una temprabilità om nea.


In Tab.13 viene riportata la banda di temprabilità Jominy richiesta.

Tab.13


si forma l’eutettoide ed innalza la temperatura di auste

•


quantità possibile. I vantaggi de

•

del grano, ma tende ad aumentare

ICO

De UN

*La

gara oge

3 45 50

7 43 49

11 39 47

25 31 40

46

Viene riportata in Fig.21 la banda di temprabilità Jominy richiesta.

Banda di TMP Jominy

303540455055

3 7 11 25


HR

c

Fig.21

ome si può vedere dalla Fig.21, la banda di temprabilità richiesta è piuttosto stretta

con valori poco decrescenti, in modo da garantite una buona omogeneità strutturale

C

e

con miglioramento delle tensioni esistenti sul pezzo dopo la tempra.

47

3.2.2.2 DISPERS ONE DEI VALORI SU CINQUE COLATE

acciaio è da aier OM a T .

riportate le analisi

himiche, le dimensioni del grano austenitico e le curve di temprabilità di una sola

olata dell’acciaio 23MnCrMo5 JOMASCO, dal momento che quest’acciaio è di

lteriori dati.

OMPOSIZIONE CHIMICA (%)

ortata in Tab.14 la composiz ll’acciaio

nsiderato.

Tab.14

°

olata

C Si

Mn Cr Mo S Al

I L’ fornito lle acci ie ASC ETAL EKFOR

Descritte le caratteristiche volute sull’acciaio, vengono ora

c

c

nuova concezione e non sono a disposizione u

C

Viene rip ione chimica della colata de

co

N

C

1 0.201 0.234 1.215 1.272 0.104 0.031 0.036

I valori riportati rientrano nelle tolleranze richieste dalla Tab.12.


engono riportate in Tab.15 le dimensioni del grano austenitico rilevate nelle cinque

° cola im ne 32 .Q

V

colate.

Tab.15

N ta D ensio UNI 45 M .E.

1 7

48

Le dimesioni del grano austenitico soddisfano le caratteristiche richieste. Questa

caratteristica è basilare per il controllo della temprabilità Jominy: la costanza dei

valori sulle forniture è garanzia di uniformità sul prodotto finito.


In Tab.16 vengono riportati i valori di temprabilità Jominy richiesti per la colata.

Tab.16

mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm

Col. 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25

1 47 46.3 45.5 42.8 39.8 37.5 36.5 34 32.8 31.5

Viene riportata in Fig.22 la curva di temprabilità della colata dell’acciaio

23MnCrMo5.

Fig.22

I valori ottenuti per la curva di temprabilità della colata stanno nel range di specifica

richiesta.

Curva di TMP Jominy (1 colata)

30

45

3 7 11 25


3540

5055

49

3.3 CONFRONTO DI TEMPRABILITA’

Si riporta ora in Fig.23 la sovrapposizione delle bande di temprabilità prima viste.

Comparazione bande TMP Jominy

Fig.23

le bande di temprabilità Jominy sono

o nello stesso intervallo. Ciò significa che per

li acciai sottoposti a cementazione in bassa pressione e tempra in gas il parametro

enza tra gli acciai per tempra in bassa pressione e gli acciai

piegati per alberi primari e

Dai grafici qui riportati si può vedere che

limitate in un range di durezza compres

g

che deve essere mantenuto in un range preciso è la temprabilità Jominy. Si vede dal

diagramma sopra riportato che al variare della composizione chimica dell’acciaio, le

caratteristiche di temprabilità rimangono inalterate.

3.4 ACCIAI TRADIZIONALI Per apprezzare la differ

tradizionali di cementazione e tempra in olio, vengono riportati i risultati delle prove

di laboratirio di due acciai tradizionali attualmente im

secondari, ruote dentate dei cambi delle autovetture FIAT:

acciaio 17NiCrMo7G;

acciaio 19MnCr5G.

25

30

35

40

45

50

55

11


dure

zza

HR

c

min27MnCr5Gmax27MnCr5Gmin20MoCrS4

3 7

max20MoCrS4min23MnCrMo5max23MnCrMo5

50

3.4.1 ACCIAIO 17NiCrMo7G Premesso che il carbonio è l’elemento che ha la maggiore influenza sulla durezza

degli acciai in tutti gli stati del trattamento termico e soprattutto allo stato di tutta la

chel presente nell’acciaio si trova

atrice.

lle seguenti principali variazioni di proprietà:

ità limitata, della temprabilità;

ento.

l’austenite contenente altri

di vastissime applicazioni,

il coefficiente di

he.


• Nichel (Ni)

Il nichel allarga il campo di esistenza dell’austenite, abbassa la temperatura del punto

A3, sposta verso tenori più bassi di carbonio il punto eutettoide.

In qualsiasi stato di trattamento termico il ni

disciolto nella m

La presenza del nichel nell’acciaio si traduce in definitiva, da un punto di vista

pratico, ne

1. diminuzione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento, di

ent

2. aumento di resistenza e di durezza allo stato ricotto e bonificato. E’ dovuto al

noto effetto indurente dell’elemento disciolto nella matrice;

3. miglioramento del complesso resistenza - tenacità in tutti gli stati di trattam

E’ da attribuirsi all’influenza dell’elemento disciolto nella matrice;

4. miglioramento della resistenza alla corrosione e della resistenza all’ossidazione a

caldo, dovuto all’effetto stabilizzante del nichel sul

elementi di maggior efficacia da questo punto di vista (cromo).

La presenza del nichel, quindi, influisce in misura notevole sulle proprietà fisiche

dell’acciaio: queste relazioni hanno condotto ad una serie

ossia alle relazioni fra il contenuto di nichel e, rispettivamente,

dilatazione, il coefficiente di variazione del modulo di elasticità con la temperatura,

le caratteristiche elettriche e quelle magnetic

• Cromo (Cr)


punto A3.


sono:

51

1. diminuzione della velocità di raffreddamento e conseguente aumento di



n tutti gli strati di trattamento.

ice e anche all’effetto

nza all’usura. E’ dovuto alla maggior


arsa

. miglioramento della resistenza meccanica alle alte temperature.

sce, il cromo ha trovato


Molibdeno (Mo)

stenza dell’austenite ed innalza la temperatura

del punto A3; sposta verso tenori di carbon

erò una maggiore tendenza alla formazione di carburi.

a presenza del molibdeno nell’acciaio esercita, da un punto di vista pratico, i

eguenti effetti:

1. diminuzione della velocità critica ddamento e conseguente aumento di

mprabilità, alle condizioni indicate a proposito del cromo, di entità superiori a

lle za ta en

2 en la a re za ra;

3. aumento della resistenza allo scorrimento viscoso a caldo.

ego nel campo degli acciai.

DEI VALORI RICHIESTI


2. miglioramento del complesso resistenza – tenacità i

E’ dovuto all’influenza dell’elemento disciolto nella matr


3. aumento della durezza e della resiste

alla sc solubilità dei carburi stessi nell’austenite;

4

Come conseguenza del complesso di proprietà che imparti

v

•

Il molibdeno restringe il campo di esi

io più bassi il punto eutettoide.

La sua distribuzione ai costituenti strutturali è simile a quella del cromo; il Mo ha

p

L

s

di raffre

te

que realiz bili da le elem to;

. aum to del durezz e della sisten all’usu

Come conseguenza del complesso di proprietà che impartisce, il cromo ha trovato

vastissimo impi

3.4.1.1 ANALISI I dati riportati sono quelli richiesti dalle norme Fiat 52 417.


52

Tab.17

C Mn Si Ni Cr Mo Cu S P Al

0.15 0.45 0.15 1.

0.20 0.65 0.35 2.00 0.60 0.30 0.040 0.050

65 0.40 0.20 <0.30 0.020 0.035 0.020

Gli elementi presenti nell’acciaio, oltre al nichel, al cromo ed al molibdeno già

o:

Manganese (Mn): allarga il campo di esistenza dell’austenite ed abbassa la

tenori più bassi di carbonio il punto

eutettoide;

tuale di carbonio alla quale


atrice ferritica;

aspetto nocivo (crea solfuri che aumentano la


quantità possibile. I vantaggi de sono che migliora la lavorabilità

osforo (P): aumenta la resistenza a trazione ed a corrosione dell’acciaio senza


Alluminio (Al): costituisce l’aggiunta più efficace per controllare la grandezza


centrali: è per questo che ne viene limitatala presenza lizza anche Titanio.

ENSIONE GRANO A NITICO


dimensione del grano austenitico deve rientrare in questo intervallo, per


descritti, son

•

temperatura del punto A3; sposta verso

• Silicio (Si): accresce la temprabilità, riduce la percen

• Rame (Cu): aumenta la resistenza allo snervamento, senza influenzare la duttilità:

il rame, infatti, dà resistenza alla m

• Zolfo (S): presenta nell’acciaio un

llo zolfo

dell’acciaio;

• F

•

e si uti

DIM USTE

*La

53


Tab.18


1.5 42 46

3 40 45

5 37 43

7 34.5 40.5

9 31.5 37.5

11 29 35

13 26.5 32.5

15 25 31

20 28

25 26

Viene riportata in Fig.24 la banda della temprabilità Jominy richiesta.

Banda di TMP Jominy

25

4550

alla base mm

3035

dure

zza

HR

c

201,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25

distanza d

40

Fig.24

pra riportato, la banda di temprabilità risulta

tretta, con conseguente vantaggi sull’omogeneità del pezzo. L’andamento delle

curve, a differenza di quanto accadeva per gli acciai “innovativi”, hanno un

Come si può evincere dal grafico so

s

54

andamento piuttosto decrescente: ciò sta a significare che tra superficie e cuore ci

sono notevoli differenze di tempra, e quindi di struttura, che portano a volumi diversi

on conseguente innalzamento delle tensioni interne.

DISPERSIONE DEI VALORI SU CINQUE COLATE

erie L CCHINI a TEKFOR.

scrit a o g r

imich i n g u o b

late d t o

iene riportata in Tab.19 la composizione chimica delle cinque colate dell’acciaio

considerato.

Tab.19

N°

colata

C Mn Si Ni Cr Mo Cu S P Al

c

3.4.1.2 L’acciaio è fornito dalle acciai U

De te le c ratteristiche v lute sull’acciaio, ven ono o a riportate le analisi

ch e, le d mensio i del rano a stenitic e le curve di tempra ilità di cinque

co ifferen i dell’acciaio 17NiCrM 7G.


V

1 0.170 0.535 0.270 1.910 0.525 0.265 0.014 0.026 0.009 0.025

2 0.160 0.540 0.255 1.890 0.515 0.265 0.042 0.023 0.012 0.022

3 0.165 0.555 0.300 1.900 0.535 0.200 0.042 0.026 0.011 0.030

4 0.175 0.535 0.260 1.890 0.530 0.260 0.031 0.028 0.010 0.026

5 0.170 0.535 0.275 1.900 0.520 0.255 0.019 0.032 0.008 0.027

Vengono riportati nei diagrammi di Fig.25, Fig.26, Fig.27, Fig.28 le percentuali degli

elementi chimici principali presenti nell’acciaio 17NiCrMo7G.

55

Fig.26

% di C

0

0,05

0,10,15

0,2

0,25


Fig.25

% di Ni

0

0,5

1

1,5

2

2,5


56

% di Cr

0

0,8

0,6

0,2

0,4

min col.1 col.2 ax col.3 col.4 col.5 m

Fig.27

Fig.28

Come si può vedere dai tre diagrammi rtati (per gli elementi principali dello

cciaio e ), lem C C o isf le ifi i

st i el enti C i, e stann n un e ri to, m re q o no ale

r Mo to c ro , d m ch sso

rve d prabilità Jo y d lata lata co en bba ento della

alità pez o ion o o m c c gue m ità

i pezz ca o.

qui ripo

a in qu stione gli e enti , Ni, r e M sodd ano spec che d

richie a. Gl em , N Cr o i rang stret ent uest n v

pe . Ques fatto ausa p blemi al mo ento e po no nascere diversità di

cu i tem min a co a co , con nsegu te a ssam

qu dei zi: def rmaz i più men arcate on la onse nte ru oros

de i del mbi

% di Mo 0,4

0,3

0,1

0,2

0 min col.1 col.2 col.3 col.4 col.5 max

57


Vengono riportate in tab.19 le dimensioni del grano austenitico rilevate nelle cinque

colate.

Tab.19

N° colata Dimensione UNI 3245 M.Q.E.

1 7

2 7

3 7

4 7

5 7

e dimesioni del grano austenitico soddisfano le caratteristiche richieste.

OMINY (HRC)

Tab.20

mm mm mm mm mm mm

L

TEMPRABILITÀ J


colate.

mm mm mm mm

Col. 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25

1 43.5 42.5 41.5 38.5 34.5 31 29 27.5 26.5 25

2 43 42.5 41 38 34 30.5 28.5 27 26 24

3 43 42.5 42 38 35 31.5 29.5 28 26.5 25

4 43.5 43 42 38.5 35 31.5 29.5 28 26.5 25

5 43.5 42.5 41.5 38 34.5 31 29 27.5 26 24.5

Viene riportata in Fig.29 la curva di temprabilità delle cinque colate dello acciaio

17NiCrMo7G.

58


201,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25

40

45

50

35

30

25


Fig.29

I valori ottenuti per la curva di temprabilità delle cinque colate stanno nel range di

specifica richiesta ed in una fascia piuttosto stretta, a dimostrazione della buona

qualità dell’acciaio.

Questo era prevedibile anche dall’analisi chimica, dal momento che essendo la

composizione chimica costante, le curve TMP devono necessariamente stare in una

fascia ristretta.

3.4.2 ACCIAIO 19MnCr5G Premesso che il carbonio è l’elemento che ha la maggiore influenza sulla durezza

rattutto allo stato di tutta la

Manganese (Mn)

manganese allarga il campo di esistenza dell’austenite ed abbassa la temperatura

assi di carbonio il punto eutettoide.

e principali variazioni di proprietà provocate dalla presenza di manganese

. diminuzione della velocità critica di raffreddamento e conseguente aumento della

temprabilità;

degli acciai in tutti gli stati del trattamento termico e sop


•

Il

del punto A3; sposta verso tenori più b

L


1

59

2. miglio to de pless stenza – tenacità in tutti gli stati di tr nto

rmico; è dovuto alla sua influenza come elemento disciolto nella matri

. straordinaria resistenza alle sollecitazioni di usura, grazie all’elevatissima

e il manganese provoca sono che rende l’acciaio molto sensibile al

ed innalza la temperatura del

della velocità di raffreddamento e conseguente aumento di

er portare in soluzione carburi contenente cromo;

. aumento della durezza e della resistenza all’usura. E’ dovuto alla maggior


’austenite;

. miglioramento della resistenza meccanica alle alte temperature.

rtisce, il cromo ha trovato


I VALORI RICHIESTI

dati riportati sono quelli richiesti dalle norme Fiat 52 423.


iene riportata in Tab.21 la composizione chimica richiesta dell’acciaio considerato.

ramen l com o resi attame

te ce;

3


Gli svantaggi ch



• Cromo (Cr)

Il cromo restringe il campo di esistenza dell’austenite

punto A3.


sono:

1. diminuzione


sufficientemente elevata p

2. miglioramento del complesso resistenza – tenacità in tutti gli strati di trattamento.



3

alla scarsa solubilità dei carburi stessi nell

4

Come conseguenza del complesso di proprietà che impa

v

3.4.2.1 ANALISI DE I

C

V

60

Tab.21

Al C Mn Cr Si Cu S P

0.15

0.21

1.00

1.30

0.80

1.10

0.15

0.35

<0.30* 0.02

0.04

0.035 0.02

0.05

Gli elementi presenti nell’a io, oltre al nichel, al c o ed al molibdeno già

scritti, sono:

Silicio (Si): accresce la t rabilità, riduce la percen e di carbonio alla quale

si forma l’eutettoide ed innalza la temperatura di auste zazione;

Rame (Cu): aumenta la resistenza allo snervamento, senza influenzare la duttilità:

il rame, infatti, dà resiste alla matrice ferritica;

Zolfo (S): presenta nell’acciaio un aspetto nocivo (crea solfuri che aumentano la

fragilità dell’acciaio), p ò normalmente si tenta eliminarne la maggior

quantità possibile. I vantaggi dello zolfo sono che migliora la lavorabilità

dell’acciaio;

Fosforo (P): aumenta la resistenza a trazione ed a corrosione dell’acciaio senza



centrali: è per questo che ne viene limitatala presenza e si utilizza anche titanio.



*La dimensione del grano austenitico deve rientrare in questo intervallo, per


ccia rom

de

• emp tual

nitiz

•

nza

•

erci di

•


61


iesta.

In Tab.22 viene riportata la banda di temprabilità Jominy rich

Tab.22


1.5 40 44

3 38 43

5 35 41

7 31.5 37

9 29 34

11 26 32

13 24 30

15 22 28

20 27

25 26

Viene rip n F a b ell i es

Fig.30

ome si può evincere dal grafico sopra riportato, la banda di temprabilità non risulta

olto stretta, con conseguente poca omogeneità del pezzo. L’andamento delle curve,

inoltre, a differenza di quanto accadeva per gli acciai “innovativi”, hanno un

andamento piuttosto decrescente: ciò sta a significare che tra superficie e cuore ci

ortata i ig.30 l anda d a temprabilità Jom ny richi ta.

Banda d J y

20

3544

1,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25distanza dalla base mm

dure

zza

HR

c

i TMP omin

2530

05

C

m

62

sono notevoli differenze di tempra, e quindi di struttura, che portano a volumi diversi

con conseguente innalzamento delle tensioni interne.

3.4.2.2 DISPERSIONE DEI VALORI SU CINQUE COLATE L’ acciaio è fornito dalle acciaierie LUCCHINI a TEKFOR.



colate differenti dell’acciaio 19MnCr5G.


iene riportata in Tab.23 la composizione chimica delle cinque colate dell’acciaio

considerato.

Tab.23

N°

Colata

C Mn Cr Si Cu S P Al

C

V

1 0.170 1.180 0.968 0.270 0.221 0.029 0.007 0.025

2 0.165 1.220 1.010 0.294 0.239 0.030 0.012 0.025

3 0.170 1.170 0.983 0.294 0.258 0.031 0.012 0.025

4 0.166 1.170 0.975 0.300 0.254 0.031 0.010 0.028

5 0.171 1.240 0.998 0.281 0.238 0.028 0.007 0.023

Vengono riportati nei diagrammi di Fi

elementi chimici principali presenti nell’ac iaio 19MnCr5G.

g.31, Fig.32, Fig.33 le percentuali degli

c

63

% di C

00,05

0,10,15

0,20,25


Fig.31

Fig.32

% di Cr

1,5

0,5

1

0 min col.1 c col.3 col.4 col.5 maxol.2

64

% di Mn

1

1,5

0

0,5

1 l. c 4 co a min col. co 2 ol.3 col. l.5 m x

Fig

qui riportati (per gli elementi principali

enti C, Mn e Cr, oltre seguire le specifiche di

ITICO

.33

Come si può vedere dai tre diagrammi

ell’acciaio in questione), gli elem

chiesta,

geneità.

DIMENSIONE GRANO AUSTEN

Vengono riportate in Tab.24 le dimensioni del grano austenitico rilevate nelle cinque

colate.

Tab.24

N° colata Dimensione UNI 3245 M.Q.E.

d

ri

stanno in un range molto ristretto: la temprabilità che si ottiene raggiunge così buoni

livelle di omo

1 7

2 7

3 7

4 7

5 7

Le dimesioni del grano austenitico soddisfano le caratteristiche richieste.

65



olate.

Tab.25


c

Col. 1.5 3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 40 50

1 44 43 40 36.5 33.5 31.5 29 27.5 26 25 24 23 22

2 43.5 42.5 37.5 33 32 29.5 28 27 26 24 21 18.5 16

3 43 42.5 40.5 36 32 30 28 26 24.5 22 20.5 18 16

4 43 42.5 38.5 34 30.5 28 26 24.5 22.5 20.5 19 15.5 12

5 42 41 38 34.5 32 30 28 27 26 24.5 23 20 18

Viene riportata in Fig.34 la curva di temprabilità delle cinque colate dell’acciaio

19MnCr5G.

a livelli leggermente

inferiori.


20

25

30

35

40

45

1,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25


Fig.34

I valori ottenuti per la curva di temprabilità delle cinque colate stanno nel range di

specifica richiesta, anche se, a differenza degli altri acciai non stanno in una banda

ristretta: ciò sta a significare che la qualità dell’acciaio è

66

In questo caso la composizione chimica, pur stando nei limiti di banda richiesti, non

è così costante come nei casi precedenti, e questo porta a delle curve di temprabilità

che stanno in bande più allargate.

3.5 CONFRONTO DEGLI ACCIAI

enti termici di cementazione in bassa

2 onfrontati agli acciai per cementazione

ra in olio, viene riportato in Fig.35 un confronto sulla

Fig.35

ai grafici riportati si vede che gli acciai innovativi hanno una temprabilità più

egli acciai tradizionali per compensare la minor drasticità della tempra in

as azoto (N2) rispetto alla tempra in olio. Questo fatto è molto importante, dal

omento che la deformazione dei pezzi avviene spesso durante la tempra: riuscendo

d ottenere questo trattamento termico in modo meno drastico, si cerca di

inimizzare ogni eventuale danno. La deformazione, infatti, porta ad alterazioni

eometriche come la curvatura, la torsione, la piegatura, ecc.

Fatto uno studio sugli acciai adatti a trattam

pressione e tempra in gas azoto (N ), c

tradizionale in endogas e temp

temprabilità degli acciai studiati.

D

elevata d

g

m

a

m

g

Comparazione bande di TMP Jominy

45

50

55

25

30

3 7 11


min27MnCr5G

max27MnCr5G

min20MoCrS4

ma

35

40

dure

zza

HR

c

x20MoCrS4

min23MnCrMo5

max23MnCrMo5

min17NiCrMo7G

max17NiCrMo7G

min19MnCr5G

max19MnCr5G

67

Le variazioni volumetriche sono legate alle modificazioni microstrutturali

eneralmente desiderate ed indotte dal trattamento termico. Basti ricordare che la

artensite possiede una densità inferiore a quella della struttura perlitica o ferritica

on cementite, tanto minore quanto più alto è il tenore di carbonio dell’acciaio.

e variazioni di volume legate alle trasformazioni microstrutturali vengono

dalla composizione dell’acciaio;

dalla temperatura del bagno di tempra;

dal tempo di permanenza;

• dalla velocità di raffreddame

Esse non so e in bassa

pressione e

ai diagrammi di analisi chimica e temprabilità si può inoltre valutare che le

acciaio tradizionale

ricavati dagli acciai da

g

m

c

L

influenzate:

•

•

•

nto.

no annullabili, ma, grazie ai trattamenti termici di cementazion

tempra in gas azoto (N2), possono essere ridotte.

D

caratteristiche fisiche (durezza e struttura) sui pezzi finiti in

presentano maggiore disuniformità rispetto ai pezzi

cementazione e tempra in bassa pressione. Questa disuniformità si traduce in più

elevate tensioni di deformazione con maggiore rumorosità del cambio.

E’ quindi più conveniente, dal punto di vista della qualità ottenuta, utilizzare gli

acciai di nuova generazione.

68

ti in acciaieria da colata continua. In Europa

engono utilizzati da tempo per le ruote dentate delle trasmissioni degli autoveicoli.

ecnologia è sfruttata da Getrag, stabilimento di Bari, che costruisce

a francese vengono utilizzati l’acciaio 27MnCr5 e l’acciaio 23MnCrMo5

OMASCO (in fase di prova).

l’ultimo ritrovato per unire l’efficienza, la qualità del prodotto e l’economicità del

ciclo. E’ salvaguardato anche l’impatto ambientale: questi processi infatti prevedono

nessuna emissione di fumi e nessun utilizzo di sostanze nocive. La lavorazione

meccanica dei pezzi, inoltre, avviene con esportazione del truciolo in tornitura senza

oli emulsionanti, cioè a secco. Non vengono quindi utilizzati emulsionanti inquinanti.

L’elevata efficienza si ottiene mediante apporto di carbonitruri sulla superficie dei

pezzi in forni sottovuoto con utilizzo di gas cementanti. Il tempo di cementazione

viene ridotto dalle dodici ore tradizionali a circa quattro ore. La tempra viene

eseguita in gas azoto (N2) anziché olio, con migliore uniformità tra la superfice ed il

cuore di durezza e struttura.

CAPITOLO 4

PROPRIETA’ DEGLI ACCIAI

4.1 CARATTERISTICHE GENERALI Questi tipi di acciaio sono ricava

v

In Italia questa t

cambi per l’area tedesca (acciaio 20MoCrS4). E’ in fase di prototipo un nuovo

cambio FIAT - GM che verrà costruito a Termoli con l’impiego di acciaio 27MnCr5.

Per l’are

J

Questa tecnologia di cementazione in bassa pressione e tempra in azoto (N2) è

69

Verranno messe in evidenza nel capitolo le differenze di durezza e struttura tra gli

li: 19MnCr5G.

MoCrS4 e sull’acciaio

entata (ingrandita di 1000 volte),

arte scura) con tracce di bainite (parte

reattivo Nital 2%

Fig.1

acciai innovativi e tradizionali. Verrà preso in considerazione un solo acciaio per

tipologia studiata, dal momento che queste caratteristiche sono analoghe per tutti gli

acciai di ognuno dei due gruppi analizzati.

• Acciai innovativi:20MoCrS4;

• Acciai tradiziona

4.2 PROVE DI LABORATORIO

Per mettere in risalto le caratteristiche degli acciai innovativi, rispetto ai tradizionali,

sono state eseguite prove di laboratorio, qui riportate, per verificare le condizioni di

durezza e struttura in superficie ed a cuore sull’acciaio 20

4.2.1 ACCIAIO 20MoCrS4 STRUTTURA

Viene messa in evidenza la zona superficiale cem

riportata in Fig.1. Sono presenti martensite (p

chiara).

19MnCr5G.

70

Per una buona qualità di tempra, al fine di ottenere la durezza voluta, non deve

essere presente austenite residua, che, oltre ad abbassare la durezza, modifica il

volume del materiale creando tensioni, e ci deve essere una bassa percentuale di

bainite rispetto alla martensite: come si può vedere dalla struttura, l’acciaio soddisfa

quanto voluto.

DUREZZA

Vengono riportate in Fig.2 e Fig.3 la struttura dell’acciaio20MoCrS4 ingrandita di 50

volte con relative impronte di forma quadrata (base della piramide) per la misura

della durezza Vickers e la curva di durezza. In Tab.1 sono rappresentate le durezze

del provino in funzione della distanza dalla superficie.

reattivo Nital 2%

Fig.2

ab.1

m 0.06 0.16 0.27 0.36 0.58 0.86 1.25

T

m

HV1Kg 966 898 786 780 758 575 475

71

400

500

600

700

800

900

1000

0,06 0,16 0,27 0,36 0,58 0,86 1,25


HV 1

Kg

Fig.3

Durezza base dente (0.3 mm): HV1Kg =

a di 1000 volte),

artensite (parte scura) con tracce di bainite (parte chiara).

782

4.2.2 ACCIAIO 19MnCr5G STRUTTURA

Viene messa in evidenza la zona superficiale cementata (ingrandit

Fig.4. Sono presenti m

72

Reattivo Nital 2%

a buona qualità di tempra, non deve essere presente austenite rinvenuta e ci

esse a b erce e di te r al uò

da trutt ’acc oddisfa quant uto, anche se la percentuale di

bainite è maggiore rispetto a quella degli acciai innovativi. Questo sta a significare

che la qualità della tempra di questa tipologia di acciaio è inferiore.

DUREZZA

Vengono riportate in Fig.5 e Fig.6 la struttura dell’ acciaio19MnCr5G ingrandita di

50 volte con relative impronte a forma di quadrato per la misura della durezza

Vickers e la curva di durezza. In Tab.2 sono rappresentate le durezze del provino in

funzione della distanza dalla superficie.

Fig.4

Per un

deve re un assa p ntual baini ispetto la martensite. Come si p

vedere lla s ura, l iaio s o vol

73

Fig.5

Tab.2

mm 0.05 0.16 0.28 0.41 0.53 0.66 0.82 1.05

HV 817 763 823 966 926 720 579 530 1Kg

500

600

700

800

900

1000

0,05 0,16 0,28 0,41 0,53 0,66 0,82 1,05


HV 1

Kg

Fig.6

1Kg = 945

Durezza base dente (0.5 mm): HV

74

4.2.3 COMMENTI STRUTTURA

La struttura bainitica (la bainite è un aggregato di ferrite e di cementite a forma

aciculare) nell’acciaio 19MnCr5G (Fig.4) è più evidente rispetto allo acciaio

20MoCrS4 (Fig.1). Questo è molto importante, poichè una maggiore concentrazione

di bainite provoca maggiori tensioni interne. Dal momento che è una struttura

grossolana con volumi maggiori, inafatti, nascono tensioni di trazione.

DUREZZA

Le curve di durezza dell’acciaio 19MnCr5G e dell’acciaio 20MoCrS4 hanno

andamenti differenti: la curva dell’accia oCrS4 (Fig.3) presenta un andamento

decrescente, mentre la curva dell’acciaio 19MnCr5G (Fig.6) ha un andamento prima

strutture ad una distanza di 0.10 mm dalla superficie (Fig.7 per l’acciaio 20MoCrS4 e

Fig.8 per l’acciaio 19MnCr5G) e 0.50 mm dalla superficie (Fig.9 per l’acciaio

20MoCrS4 e Fig.10 per l’acciaio 19MnCr5G) per spiegare il motivo di questo fatto.

io 20M

crescente e poi decrescente. Vengono ora riportati ingrandimenti (X 1000) delle

75

20MoCrS4 reattivo Nital 2%

Fig.7

19MnCr5G reattivo Nital 2%

Fig.8

76

20MoCrS4 reattivo Nital 2%

Fig.9

19MnCr5G reattivo Nital 2%

Fig.10

77

Come si può vedere dalla struttura dell’acciaio 20MoCrS4 in Fig.7, la presenza di

ustenite (parte chiara della struttura) è inferiore rispetto all’acciaio 19MnCr5G, in

a in

inore (Fig.9). Si può così spiegare l’andamento decrescente della

durezza, rappresentato in Fig.3.

Per quanto riguarda l’acciaio 19MnCr5G, invece, nella parte chiara di Fig.8 si nota

austenite iuttosto elevata ch urante il

processo di cementazione tradizionale, infatti, è favorito il processo di formazione di

ite residua sulla superficie. Se si pass ttura in un tratto più

zza

amento prima decrescente e poi crescente della durezza

i Fig.6.

tiche di durezza, tare che l’acciaio per

sione e temp 2 lori allineati

ll’acciaio per cementazione e tempra tradizionali. Si può così capire che anche gli

cciai innovativi possono soddisfare le caratteristiche di progetto che venivano

a

Fig.8. Internamente è sempre presente martensite rinvenuta (parte scura), m

percentuale m

residua in percentuale p e abbassa la durezza. D

austen a ad analizzare la stru

interno (Fig.10), è facile però notare la pre

più alta: è così spiegato l’and

senza di martensite rinvenuta con dure

d

Agli effetti delle caratteris si può no

cementazione in bassa pres ra in gas azoto (N ) ha va

a

a

richieste per acciai tradizionali, con l’ulteriore vantaggio che l’andamento delle

durezze degli acciai innovativi è più uniforme: questo porta ad una migliore

resistenza all’usura per questi tipi di acciai.

78

4.3 CARATTERISTICHE DI DUREZZA

base dente rilevate al paragrafo 4.2.

Tab.3

ACCIAIO 20MoCrS4

ACCIAIO 19MnCr5G

Vengono riportate in Tab.3 le durezze

Durezza mi

(HV1Kg): HV 600 a 0.3 mm

dente:

1Kg): HV 725 a 0.5 mm

Durezza rilevata:

nima richiesta base dente: Durezza minima richiesta base

(HV

Durezza rilevata:

(HV1Kg): HV 782 a 0.3 mm

(HV1Kg): HV 945 a 0.5 mm

Questi valori dimostrano che le durezze dell’acciaio 20MoCrS4 e dell’acciaio

19MnCr5G soddisfano le specifiche richieste da disegno: anche l’acciaio innovativo

20MoCrS4 può dunque essere utilizzato senza che si verifichino problemi di usura o

a superano di molto i valori voluti: questo

esiderati.

rottura prematuri. Come si può vedere dai dati riportati, le durezze rilevate,

soddisfano sì le richieste del cliente, m

però comporta nulla, dal momento che è necessario solamente ottenere valori

maggiori uguali a quelli d

79

CAPITOLO 5

VE CCT E FASC

.1 PREMESSA

zione strutturale e di

zione Ac3. Queste caratteristiche sono rappresentate nei diagrammi CCT

un provino da laboratorio la durezza e la

ica.

empra più

oneo per ogni acciaio.

te dentate si basa dunque sui seguenti fattori:

. tipo di trattamento termico eseguito in funzione dei forni a disposizione

tempra in gas azoto);

da utilizzare per ottenere le caratteristiche richieste impiegando gli

posizione.

no le due classi di acciaio da utilizzare ed i due tipi di

ili per ottenere le caratteristiche meccaniche richieste:

CUR E TMP

5 Gli acciai presi in esame presentano caratteristiche di trasforma

durezza variabili in base alla velocità di raffreddamento della temperatura di

trasforma

allegati, forniti dalle acciaierie costruttrici. Da questi diagrammi emerge il tempo

minimo necessario per ottenere su di

struttura richiesta sui particolari da cementazione e tempra.

Il tipo di struttura deve essere esente da ferrite e perlite a cuore per garantire la

durezza sul pezzo richiesta da specif

Queste prove teoriche sono utili nella pratica per determinare il tipo di t

id

La progettazione delle ruo

1. resistenza sui pezzi in funzione della coppia massima di impiego;

2

(cementazione in endogas con tempra in olio o cementazione in bassa pressione

con

3. tipo di acciaio

impianti a dis

Da queste esigenze si evidenzia

trattamento sfruttab

80

Nella pratica si devono adattare i param rici come segue:

0°C circa sul punto

Ac3;

• il tempo di trasformazione è regolato dalla drasticità del mezzo temprante (olio o

gas);

• la durezza è regolata dalla temprabilità Jominy di ogni colata.

5.2 CURVE CCT E FASCE DI TEMPRABILITA’ 5.2.1 CURVE CCT Vengono considerate le curve CCT per gli acciai presi in considerazione

Si riportano in figura: Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.4 e Fig.5 le curve CCT per i seguenti

acciai:

• 27MnCr5G;

• 20MoCrS4;

• 17NiCrMo7G;

19MnCr5G.

Forni per CMT in endogas e TMP in olio Acciai tradizionali

Forni per CMT in bassa p e TMP in N2 Acciai innovativi

etri teo

• la temperatura di tempra è mantenuta su valori superiori di 5

• 23MNCrMo5 JOMASCO;

•

81

27MnCr5

rrite P = perlite

20MoCrS4

egenda: Zw = martensite A = austenite F = ferrite P = perlite

Fonte: Autori vari, EDELBAUSTAHLE, Krupp Stahl, Bochum 1976.

Legenda: Zw = martensite A = austenite F = fe

Fig.1


Fig.2

L

82

23MnCRMo5 JOMASCO

martensite

i vari, EDELBAUSTAHLE, Krupp Stahl, Bochum 1976.

ig.4

egenda: Zw = martensite A = austenite F = ferrite P = perlite


Legenda: A = austenite F = ferrite C = perlite M =

Fig.3

17NiCrMo7G

Fonte: Autor

F

L

83

19MnCr5G

Fig.5

Legenda: Zw = martensite A = austenite F = ferrite P = perlite

Viene riportata la Tab.1 dove sono evidenziate le durezze Vickers degli acciai

studiati (le durezze considerate sono al limite del campo ferritico) ed i tempi

necessari per ottenere la tempra .

Tab.1

ACCIAIO

DUREZZA (1)

TEMPO CCT


27MnCr5G

495 HV1Kg

40 s

20MoCrS4

300 HV1Kg

20 s

84

23MnCrMo5

442 HV1Kg

50 s

17NiCrMo7G

289 HV1Kg

700 s

19MnCr5G

340 HV1Kg

25 s

(1) Le durezze sono misurate a base dente (0.5mm)

5.2.2 BANDE DI TEMPRABILITA’ Vengono riportate nelle figure: Fig.6 , Fig.8, Fig.9 e Fig.10 le bande di

mprabilità Jominy degli acciai, già viste nel Cap.3.

Fig.6

, Fig.7

te

Banda di TM

30

35

40

45

50

55

distanz

dure

zza

HR

c

P Jominy 27MnCr5G

3 7 11

a dalla base (mm)

85

Banda di TMP Jominy 20MoCrS4

20

25

30

35

40

45

50

1,5 3 5 7 11 15 20 25 30


dure

zza

HR

c

Fig.7

Banda di TMP Jominy 23MnCrMo5

2025303540455055

3 7 11

HR

c

25


Fig.8

86

Banda di TMP Jominy 17NiCrMo7G

50

20253035

1,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25


dure

zza

HR

c

4045

Fig.9

Banda di TMP Jominy 19MnCr5G

50

202530354045

1,5 3 5 7 9 11 13 15 20 25


dure

zza

HR

c

87

Fig.10

87

5.2.3 COMMENTI Dalla Tab.1 si ricava che l’acciaio 27MnCr5G e l’acciaio 23MnCrMo5 JOMASCO

(ancora in fase di studio) presentano la durezza più elevata (495 HV e 442 HV), oltre

a bassi tempi di trasformazione di tempra (40s e 20s). Si intuisce così perché

vengano utilizzati per processi innovativi di cementazione in bassa pressione e

tempra in gas azoto (N2).

L’acciaio 17NiCrMo7G ha invece durezza più bassa (289 HV) e tempi di

trasformazione di tempra notevolmente più alti (700s): ciò sta ad indicare che deve

essere impiegato per processi di cementazione e tempra tradizionale.

Un discorso a parte deve essere fatto per gli acciai 20MoCrS4 e 19MnCr5G. Il

20MoCrS4, pur avendo un basso tempo di trasformazione di tempra (50s), ha una

durezza non molto elevata (300 HV): questo porterebbe a pensare a caratteristiche

che non lo renderebbero idoneo ad affrontare i processi innovativi. In realtà non è

così, dal momento che, se si analizzano le sue fasce di temprabilità, paragonate a

quelle degli acciai tradizionali, Fig.11, si nota che stanno su livelli più alti. Si

ottengono così durezze a base dente e cuore più elevate, che lo rende idoneo a subire

la cementazione in bassa pressione e l in gas. Deve però essere evidenziato

he le ruote dentate ottenute con l’acciaio 20MoCrS4 sono impiegate in trasmissioni

a tempra

c

che supportano coppie non particolarmente elevate. I vantaggi che si ottengono

utilizzando questo processo per questo tipo di acciaio, quindi, non riguardano tanto le

migliorie dell’ingranaggio durante il suo funzionamento, quanto i risparmi energetici

e di tempo che ne derivano.

88

Comparazione bande di TMP Jominy

25

30

3 7 11distanza dalla base mm

55

50 min27MnCr5G

Fig.11

er quanto riguarda l’acciaio 19MnCr5G, invece, si può notare che i tempi di

azione di tempra sono molto brevi (25s), mentre la durezza non è

ente elevata (340 HV): ciò sta ad indicare che teoricamente potrebbe

ssere utilizzato per cementazione in bassa pressione e tempra in gas. Se si analizza

banda di temprabilità (Fig.11), paragonata con quella degli altri acciai, si nota però

he questa sta su di un livello notevolmente più basso, che non permetterebbe alla

ota dentata costruita con questo tipo di acciaio di soddisfare le caratteristiche di

urezza richieste.

P

trasform

particolarm

e

la

c

ru

d

35

40

dure

zza

HR

c45

max27MnCr5G

min20MoCrS4

max20MoCrS4

min23MnCrMo5

max23MnCrMo5

min17NiCrMo7G

max17NiCrMo7G

min19MnCr5G

max19MnCr5G

89

5.3 CONCLUSIONI

forni di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2) uniscono ottime

oti di efficienza e trasformazioni ottimali della struttura.

’efficienza è data dai seguenti parametri:

. alta produttività e pulizia di lavorazione sui pezzi e sull’impianto;

. basso scarto per deformazioni, a causa dell’uniformità della struttura cuore e

superficie.

Poiché la tempra in gas riduce i tempi di ra nto rispetto alla tempra in olio,

è indispensabile l’utilizzo degli acciai di “nuova generazione”, i quali permettono

ottenimento delle caratteristiche richieste con la tempra in gas.

I

d

L

1

2

ffreddame

l’

90

CAPITOLO 6

I FORNI 6.1 CONCETTI GENERALI La tecnologia di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2)

omporta l’utilizzo di forni dalla tecnologia sofisticata, che differisce dai forni

engono quindi utilizzati forni di nuova

oncezione: quelli più diffusi sono prodotti dalla E.C.M..

o un

ACARB ha le seguenti caratteristiche:

perfetta reperibilità dei risultati dei trattamenti;

di 0,05 mm);

i trattamento di cementazione.

dei forni sotto vuoto non sono adatti in generale per la

ormalmente impiegati per la cementazione. E’ stata quindi

roporzione di azoto (N2). Le ultime versioni

i pezzi.

c

utilizzati per trattamenti termici tradizionali. V

c

I forni sotto vuoto possono ricevere la cementazione in bassa pressione second

nuovo principio brevettato, chiamato INFRACARB.

Il principio INFR

•

• esatta previsione della profondità di cementazione (con scarto

• qualità delle superfici trattate (nessuna ossidazione);

• riduzione dei tempi d

I metodi di raffreddamento

tempra degli acciai n

progettata una cellula di raffreddamento separata in grado di lavorare ad alta

pressione di gas contenente una forte p

lavorano fino a 20 bar. Questo valore, molto elevato, in realtà viene raggiunto solo in

casi estremi:le pressioni di tempra, infatti, normalmente vanno da 4 a 12 bar, per non

creare una tempra molto drastica da tensionare

91

Con riferimento alle curve CCT descritte nel capitolo precedente, si può notare infatti

che con una tempra drastica la superficie del pezzo raffredda più velocemente del

cuore, con una conseguente differenza di struttura (martensitica e bainitica a

superficie, martensitica e bainitica con tracce di ferrite a bordo grano a cuore) e

uindi di volume che portano alla nascita di tensioni all’interno dei pezzi.

verse cellule

ne del trattamento che devono

tualmente standardizzati e realizzati dalla E.C.M.:

uoto a carica con raffreddamento in gas integrati, la

llule possono avere fino a 8 cellule di cementazione

cellula di tempra in gas (pressione

IPOLOGIE DEI FORNI

NTAZIONE IN BASSA PRESSIONE

ei forni utilizzate per la cementazione in

O A CARICA

rca di ottenere un guadagno di tempo rispetto ad una

ono ottenere con questi tipi di forni sono

che possono raggiungere l’ordine di: φ 3000 mm –

q

I forni verticali ed orizzontali partono dal principio di avere le di

separate in modo da poter ognuna operare in funzio

realizzare.

Tre tipi di installazione sono at

• Forni di cementazione sotto v

pressione massima attualmente utilizzata è di 10 bar.

• ICBPV verticali: queste ce

per una cellula di tempra gas (pressione possibile 20 bar).

• ICBPH orizzontali: queste installazioni possono ricevere fino a 6 cellule di

cementazione o di preriscaldo per una

possibile tra 10 e 12 bar) oppure una cellula di tempra in olio caldo o freddo.

6.2 T 6.2.1 FORNI PER CEME Vengono di seguito riportate le tipologie d

bassa pressione.

FORNI DI CEMENTAZIONE SOTTOVUOT

Tre tipi di installazione sono stati equipaggiati con il processi INFRACARB:

• forni a pozzo PVF;

• forni a suola elevatrice;

• forni orizzontali.

Con questi tipi di forni si ce

cementazione classica dal 30% al 50%.

Le dimensioni di carica utile che si poss

piuttosto elevate, con dimensioni

h 2000 mm oppure φ 1000 mm – h 8000 mm.

92

Lo scopo è di trattare pezzi o di grande diametro relativamente piatti o di diametro

minore molto lunghi, salvo che per l’acciaio che necessita di una forte drasticità, per

entazione che raggiungono anche i 6 mm.

;

ttovuoto;

sterna (a portale o a braccio).

avere valori di diametro che possono

a 980°C.

el corso delle realizzazioni fatte, sono stati realizzati i seguenti miglioramenti sugli

BP:

bar;

la di cementazione;

rova per ogni cellula su banco;

e portate del gas

i quali bisogna prevedere una operazione di tempra separata. Si possono così ottenere

profondità di cem

FORNI DI CEMENTAZIONE SOTTOVUOTO (ICBPV verticale)

Queste installazioni possono essere equipaggiate di:

• 1 cellula di carico/scarico;

• 1 cellula di tempra in gas;

• 1-8 cellule di cementazione

• 1 camera di trasferimento con ascensore so

• 1 sistema di supervisione;

• 1 mezzo di manutenzione e

Le dimensioni delle cariche possono

raggiungere φ 470 mm ed altezze di 750 mm.

La temperatura di utilizzo normale, invece, ha un margine che va da 920°C

N

IC

1) Tempra gas azoto sotto pressione (N2) fino a 20

2) Ricircolo del gas di tempra;

3) Semplificazioni della cellu

• armadio gas di processo integrato;

• armadio elettrico per ogni cellula;

• test di p

4) Attrezzature metalliche o in CFC;

5) Riduzione dei costi di produzione per l’avvio di piccole serie;

6) Aumento della densità della carica utile con l’ottimizzazione dell

e miglioramento delle attrezzature.

Negli ultimi tempi si cercano di portare i seguenti sviluppi, per ottenere una sempre

migliore efficienza dei forni:

• Aumento delle dimensioni della cellula (diametro e altezza);

• Eliminazione della rotazione;

• Riscaldamento con gas.

I risultati che si possono ottenere utilizzando questa tipologia di forni sono:

93

1. si riesce ad ottenere un guadagno in tempo rispetto ad una cementazione gassosa

classica: da 30 a 50%;

2. si possono ottenere profondità di cementazione di parecchi millimetri (fino a 6

mm).

FORNI DI CEMENTAZIONE SOTTOVUOTO (ICBPH orizzontale)

Queste installazioni possono essere equipaggiate di:

• 1 cellula di carico/scarico;

• 1 cellula di tempra in gas;

• 1 cellula di tempra in olio;

• 1-6 cellule di cementazione o preriscaldo;

• 1 sportello di trasferimento sottovuoto con carrello telescopico;

• 1 sistema di supervisione;

• 1 caricatrice automatica o manuale.

Le dimensioni delle cariche possono avere valori di larghezza ed altezza che possono

raggiungere i 610 mm e di profondità che possono raggiungere i 960 mm.

a concezione di questa cellula deriva direttamente dagli studi e dalle migliaia di

cicli fat

i prevede di canalizzare il gas messo in pressione con due turbine elicoidali: la

golazione delle pale permette di regolare le turbine per lavorare in azoto puro (N2)

no a 20 bar.

uò essere inserito in opzione un sistema di recupero del gas che può essere parziale

totale; in questo ultimo caso è garantito un recupero del 97%. Il gas utilizzato

onterrà sempre una percentuale d’azoto superiore o uguale al 50%.

portante per il processo è la chiusura della porta: la chiusura della porta verso la

struttura esterna è fatta meccanicamente e per la pressione del vuoto interna alla

cellula, questa porta è sempre fredda dai due lati.

I forni descritti nel presente paragrafo, come già ampiamente spiegato, sono utilizzati

per i trattamenti termici di acciai di nuova concezione, e quindi anch’essi adottano

soluzioni innovative che li rendono ancora poco diffusi sul mercato. A causa di ciò

non si hanno a disposizione dati tecnici o schemi impiantistici approfonditi. Vengono

6.2.2 CELLULA DI TEMPRA IN GAS

L

ti dalla ditta E.C.M..

S

re

fi

P

o

c

Im

94

riportati in Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.4 le fotografie dei forni, gli schemi impiantistici e

le raffigurazioni dei caricamenti che sono stati messi a disposizione dalle ditte

fornitrici, che comunque riescono a dare un’esauriente idea delle tipologie di forni

studiati.

Fonte: Cataloghi illustrativi E.C.M. Infrafours Physitherm, SINALCO S.A.S., Rivalta (TO). Fig.1

Forno per cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2).

95

Fonte: Cataloghi illustrativi E.C.M. Infrafours Physitherm, SINALCO S.A.S., Rivalta (TO).

Fig.2

Schema impiantistico di un forno per cementazione in bassa pressione e tempra in

gas azoto (N2) ICBPH 600 TG.

96

Fonte: Cataloghi illustrativi E.C.M. Infrafours Phy

Fig.3sitherm, SINALCO S.A.S., Rivalta (TO).

hi illustrativi E.C.M. Infrafours Physitherm, SINALCO S.A.S., Rivalta (TO). Fig.4

Carica del materiale da sottoporre ad un trattamento termico innovativo in un forno

per cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2).

Fonte: Catalog

97

6.3 CONCLUSIONI Al fine di caratterizzare un trattamento r olto agli acciai per ingranaggi usati nel

settore automobilistico, la E.C.M. nel 1995 avviò un programma di ricerca volto a

determinare i reali vantaggi che il processo, realizzato nei forni a bassa pressione,

poteva apportare ad una tipologia rappresentativa di particolari automobilistici su

acciai basso-legati, in particolare impiegati nei cambi automobilistici.

Detti particolari sono sembrati particolarm te intere anti per i seguenti motivi:

1. elevate sollecitazioni, prevalentemente urbano

dell’automobile;

2. produzione molto elev ntrare la produzione dei

cambi in poche unità produttive;

trattamento termico, che costituiscono una parte

notevole del tempo totale di produzione;

durata pari a N = 107 cicli, è

iv

en ss

dovute all’impiego,

ata, dovuta alla tendenza a conce

3. necessità di ridurre i tempi di

Per dimostrare tutto questo, sono state effettuate su provette di fatica in 19MnCr5G

(gli acciai 27MnCr5G, 20MoCrS4 e 23MnCrMo5 JOMASCO, anche se con

proprietà migliori, non venivano ancora utilizzati) una serie di prove metallurgiche e

tensionali. Le proprietà a fatica del trattamento E.C.M., a parità di profondità di

trattamento, sono risultate superiori in tutto il campo delle durate considerato; in

particolare, la sollecitazione limite di fatica, ad una

risultata superiore del 20%.

98

CAPITOLO 7

CONCLUSIONI

ello studio affrontato sono state messe in evidenza le prove di laboratorio (analisi

sultati ottenu ti di acciai:

, n proc s ne e

tempra in gas azoto (N2), e, per confronto, quelli trattati in modo tradizionale, con

rocessi di cementazione in endogas e temp

della ricerca, oltre ad io di tipo

ntale.

Dopo aver tratto le conclusioni che metto enza le migliorie sulle prove di

laboratorio degli acciai innovativi, quindi, può risultare interessante descrivere i

antaggi che si ottengono dal punto di v ta dei costi di gestione dei trattamenti

anno in a

.2 TAVOLE SINOTTICHE DEGLI ACCIAI

profondito nto di vista

roduttivo, che da un punto di vista economico ed ambientale, vengono presentate

elle tavole sinottiche (Tab.1) e delle fotografie (Fig.3 e Fig.4) che mettono in risalto

7.1 INTRODUZIONE

N

chimica, determinazione della dimensio

temprabilità Jominy) ed i ri

ne del grano austenitico e banda di

ti con due tipologie differen

quelli trattati in modo innovativo co essi di cementazione in bassa pre sio

p ra in olio.

Nello svolgimento ottenere i dati atti ad uno stud

produttivo, si sono trovati anche interessan

ed ambie

ti resoconti dal punto di vista economico

no in evid

v is

termici ed i buoni risultati che si h ccordo con il rispetto dell’ambiente.

7 Prima di evidenziare in modo ap i risultati ottenuti sia da un pu

p

d

99

le principali differenze che si sono riscontrate nell’analisi delle ue diverse tipologie

di acciaio

Viene riportata in Tab.1 una tavola sinottica dove è descritto il ciclo di produzione

he gli “acciai innovativi” e gli “acciai tradizionali” devono compiere.

Tab.1

LE

d

.

c

CICLO INNOVATIVO CICLO TRADIZIONA

Grezzo.

Stampaggio a caldo TEKFOR su linea

OT – FORMED HATEBUR.

Stampaggio a caldo TEKFOR su linea

OT – FORMED HATEBUR. H

Grezzo.

H

Trattamento termico a ricottura

isotermica sul pezzo grezzo.

Forno continuo tipo OLIVOTTO (1).

rattamento termico a ricottura

orno continuo tipo OLIVOTTO (1).

T

isotermica sul pezzo grezzo.

F

Tornitura a secco.

avorazioni meccaniche dei pezzi grezzi

ornitura con oli emulsionanti.

Lavorazioni meccaniche dei pezzi grezzi

T

L

a secco. con oli emulsionanti per macchine

utensili.

avorazioni meccaniche a secco.

Lavorazioni meccaniche con oli

emulsionanti per macchine utensili.

L

Trattamenti termici di cementazione in

assa pressione (circa 4 ore) (2).

Trattamenti termici di cementazione

tradizionale (circa 12 ore) (2). b

100

CICLO INNOVATIVO

CICLO TRADIZIONALE

Distensione a circa 180°C (2).

Tempra in olio a 180°C – 200°C (2).

Lavorazione superficiale di finitura.

Distensione a circa 180°C (2).

(2).Prove accoppiamento dente. Lavaggio dei pezzi dal grasso dell’olio

Montaggio.

orazione superficiale di finitura. Lav

Prove accoppiamento dente.

Montaggio.

Scopo di queste ricotture è quello di ottenere strutture con blocchi di perlite lamellare

atrice ferritica, al fine di ottenere il massimo addolcimento distribuiti nella m

dell’acciaio e la miglior lavorabilità a freddo.

101

(2) vedere i grafici qualitativi di Fig.1 e Fig.2

°C °C

t t

Fig.1 Fig.2

Tab.2

CICLO TRADIZIONALE CICLO INNOVATIVO

A: Cementazione a 940°C–960°C (12h)

E: Cementazione a 960°C in bassa p (4h)

B: Stabilizzazione di T per TMP (20min)

F: Tempra in gas azoto (15min)

C: Tempra in olio (30min)

G: Distensione a 180°C

D: Distensione a 180°C e lavaggio

B

A

C

D

E

F

G

102

Come si può vedere dai po

comp di circa 12 ore,

me ) si riduce

a circa 4 ore.

Lavorando m ista di

gestione de

mome

Facendo il trattam e anziché 12 ore ed

ico,

e in bassa

finiti perfe e il lavaggio

necessario dopo la tempra in olio.

ono state riportate le fotografie delle ruote dentate fatte con l’acciaio tradizionale

Acciaio tradizionale (19MnCr5G)

grafici qualitativi riportati in Fig.1 ed in Fig.2, il tem

lessivo di cementazione e tempra in un ciclo tradizionale è

ntre in un ciclo con cementazione in bassa pressione e tempra in gas (N2

eccanicamente a secco si hanno notevoli vantaggi dal punto di v

lle linee (pulizie vasche e manutenzione spruzzatori) ed ecologico, dal

nto che non vengono utilizzati emulsionanti.

ento termico in un tempo ridotto a circa 4 or

evitando il lavaggio finale dei pezzi, si ottiene sia un notevole vantaggio econom

che un buon risparmio energetico. Il trattamento termico di cementazion

pressione, oltre al vantaggio della riduzione dei tempi, permette di ottenere pezzi

ttamente puliti sulla superficie. Viene quindi eliminato anch

S

19MnCr5G riportata in Fig.3 e con l’acciaio innovativo 20MoCrS4 riportata in Fig.4.

Fig.3

103

Acciaio innovativo (20MoCrS4)

Fig.4

in gas azoto (N2), confrontati con gli acciai per cementazione

adizionale in endogas e tempra in olio, si vede che gli acciai innovativi hanno una

mprabilità più elevata degli acciai tradizionali, per compensare la minor drasticità

in olio. Questo fatto è molto

portante, dal momento che la deformazione dei pezzi avviene spesso durante la

etriche sono legate alle modificazioni microstrutturali

Si può notare la differente colorazione superficiale, a dimostrazione che anche solo

l’aspetto visivo dell’acciaio innovativo è migliore rispetto all’acciaio tradizionale.

7.3 VALUTAZIONI SULLE PROVE DI LABORATORIO Fatto uno studio sugli acciai adatti a trattamenti termici di cementazione in bassa

pressione e tempra

tr

te

della tempra in gas azoto (N2) rispetto alla tempra

im

tempra: riuscendo ad ottenere questo trattamento termico in modo meno drastico, si

cerca di minimizzare ogni eventuale danno. La deformazione, infatti, porta ad

alterazioni geometriche come la curvatura, la torsione, la piegatura, ecc.

Le variazioni volum

generalmente desiderate ed indotte dal trattamento termico. Basti ricordare che la

martensite possiede una densità inferiore a quella della struttura perlitica o ferritica

con cementite, tanto minore quanto più alto è il tenore di carbonio dell’acciaio.

Le variazioni di volume legate alle trasformazioni microstrutturali vengono

influenzate:

104

• dalla composizione dell’acciaio;

• dalla temperatura del bagno di tempra;

• dal tempo di permanenza;

• dalla velocità di raffreddamento.

Esse non sono annullabili, ma, grazie ai trattamenti termici di cementazione in bassa

pressione e tempra in gas azoto (N2), possono essere ridotte.

Dai diagrammi di analisi chimica e temprabilità si può inoltre valutare che le

apire che anche gli

cciai innovativi possono soddisfare le caratteristiche di progetto che venivano

chieste per acciai tradizionali, senza che si verifichino problemi di usura o rottura

delle durezze degli acciai

novativi è più uniforme: questo porta ad una migliore resistenza all’usura per

enti innovativi (si passa infatti dalle tradizionali 12 ore a circa 4 ore), si

dovuto allo stretto controllo

caratteristiche fisiche (durezza e struttura) sui pezzi finiti in acciaio tradizionale

presentano maggiore disuniformità rispetto ai pezzi ricavati dagli acciai da

cementazione e tempra in bassa pressione. Questa disuniformità si traduce in più

elevate tensioni di deformazione con maggiore rumorosità del cambio.

E’ quindi più conveniente, dal punto di vista della qualità ottenuta, utilizzare gli

acciai di nuova generazione.

Agli effetti delle caratteristiche di durezza, si può invece notare che l’acciaio per

cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2) ha valori allineati

all’acciaio per cementazione e tempra tradizionali. Si può così c

a

ri

prematuri, con l’ulteriore vantaggio che l’andamento

in

questi tipi di acciai.

7.4 VALUTAZIONE ECONOMICA

Adottando la tecnologia di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto

(N2), l’azienda deve far fronte a notevoli investimenti, che però possono essere

ammortati in breve tempo grazie al notevole risparmio economico che si può

raggiungere.

Con la diminuzione del tempo di trattamento termico ottenuta utilizzando i

procedim

ottiene infatti un notevole risparmio energetico ed un grande miglioramento della

produttività, dal momento che si può incrementare la quantità dell’acciaio trattato. Si

ottiene anche una grande riproducibilità dei risultati,

105

dell’atmosfera all’interno della cellula di trattamento. I parametri di trattamento,

infatti, sono controllati in tempo reale tramite un sistema informatico che permette di

stabilire il ciclo in funzione del profilo di carbonio da ottenere e delle caratteristiche

ei pezzi, entro una tolleranza del 2%. Grazie a ciò i prodotti ottenuti in modo

novativo avranno livelli di qualità migliori, che permetteranno di ridurre

e non rientrano nei livelli di tolleranza

chiesti.

lavorare in

iale trattato, dal

gia di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto

sonoro emesso.

olio nel trattamento, ed il livello sonoro è

ono

trasportano sino agli impianti. Il rischio

ili perdite di olio nel

lavorati

eccanicamente a secco, con un notevole vantaggio dal punto di vista ecologico, dal

omento che non vengono utilizzati oli emulsionanti.

d

in

notevolmente gli scarti che devono subire, s

ri

I sistemi che adottano queste tecnologie possiedono un elevatissimo grado di

automazione ed un notevole livello di sicurezza, che permettono di

continuo su tre turni, con una bassa presenza di personale di controllo. Si possono

inoltre accelerare i tempi di spostamento delle cariche di mater

momento che avvengono a temperatura ambiente, tramite utilizzo di sistemi

automatizzati di robot, aumentando così la facilità di gestire la movimentazione.

I pezzi che subiscono i trattamenti termici innovativi, infine, possono poi essere

lavorati meccanicamente a secco, e questo porta a vantaggi dal punto di vista di

gestione delle linee (pulizia vasche e manutenzione spruzzatori).

7.5 VALUTAZIONE AMBIENTALE

Adottando la tecnolo

(N2), si hanno notevoli vantaggi dal punto di vista dell’impatto ambientale, sia sotto

il profilo di inquinamento provocato, che di livello

Il livello di inquinamento è infatti praticamente nullo, sia sui pezzi che

nell’ambiente, grazie all’assenza di

estremamente basso, in quanto il processo avviene in un ambiente fortemente isolato.

L’assenza di oli nel trattamento termico è molto importane: gli oli necessari s

contenuti all’interno di serbatoi interrati a doppia camera, da cui vengono prelevati

mediante un sistema di pompe che li

ambientale che si può incorrere è rappresentato da possib

terreno.

I pezzi che subiscono i trattamenti termici innovativi possono poi essere

m

m

106

L’abbassamento del livello sonoro è molto importante, poichè il comfort acustico è

fondamentale per quanto ardia della salute degli

perai.

NI FINALI

. Notevole diminuzione del tempo di trattamento, da circa 12 ore a circa 4 ore, a

di ossidazione sia a livello

superficiale che interglobulare. In questo modo non si richiedono ulteriori

. Grande riproducibilità dei risultati, dovuto allo stretto controllo dell’atmosfera

ite un sistema informatico che permette di stabilire il ciclo in

funzione del profilo di carbonio da ottenere e delle caratteristiche dei pezzi, entro

• Livello di inquinamento praticamente nullo, sia sui pezzi che nell’ambiente,

ne in un

ambiente fortemente isolato;

ambiente

. Riduzione dei consumi di atmosfera di trattamento e di energia elettrica a causa

. Possibilità di lavorare in continuo su 3 turni, senza presenza di personale, grazie

all’intrinseca sicurezza del sistema ed all’elevato grado di automazione.

riguarda la sicurezza e la salvagu

o

7.6 VALUTAZIO

Il trattamento di cementazione in bassa pressione e tempra in gas azoto (N2), oggetto

della ricerca, ha dato quindi i risultati che possono essere così riassunti:

1

parità di profondità di cementazione efficace e tempra ottenute.

2. Miglioramento della qualità del pezzo, con assenza

trattamenti superficiali, quali il lavaggio oppure la sabbiatura.

3

all’interno della cellula di trattamento. I parametri di trattamento sono controllati

in tempo reale tram

una tolleranza del 2%.

4. Possibilità di inserire il processo direttamente nelle linee di produzione, dovuto ai

seguenti motivi:

grazie all’assenza di olio nel trattamento;

• Livello sonoro estremamente basso, in quanto il processo avvie

• Facilità di gestire la movimentazione tramite sistemi automatizzati di robot,

in quanto i trasferimenti delle cariche avvengono a temperatura

5

dell’elevato rendimento del processo.

6. Ridotta inerzia della linea, che può ripartire in 15 minuti.

7

107

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TRATTAMENTI TERMICI DI CEMENTAZIONE E TEMPRA · POLITECNICO DI TORINO . Facoltà di Ingegneria . Corso di laurea in Ingegneria Meccanica . TESI DI LAUREA . TRATTAMENTI TERMICI . DI