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SALDATURA ACCIAIO DA BONIFICA C22E 1.1151 EN 10083-2 : CONSIDERAZIONI GENERALI

VALUTAZIONE SALDABILITA’ : ALTA

PROCEDIMENTI DI SALDATURA CONSIGLIATI

SMAW B (basico); GMAW; GTAW; PAW; LBW*; EBW* ( *su acciai degasati sottovuoto )

PROCEDURE DI SALDATURA CONSIGLIATE

m.a. per acciai ad alta resistenza ( EN 757; UNI EN 12534 )+ Tp + TB o PWHT

m.a. per acciai non legati ( EN 499 ; EN 1668; EN 440 ) + Tp + TB o PWHT

PRECAUZIONI GENERALI

saldatura in multipass

riduzione di  HD ( ≤ 5 ottimale ); ricondizionamento degli elettrodi

pulizia dei lembi

contenimento del grado di vincolo del giunto

contenimento di Rd

LEGENDA

Tp : temperatura di minima di preriscaldo [ ° C ] ; HD : idrogeno diffusibile [ ml/100g ]; Rd : rapporto di diluizione [ % ] ; d : spessore combinato [ mm ] ; Q : apporto termico specifico [ kJ/mm ] ; m.a. : metallo di apporto ; TB : temper beads ; PWHT : trattamento termico di distensione

WARNING

gradi risolforati di saldabilità critica 

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SALDATURA ACCIAIO DA CEMENTAZIONE C10E 1.1121 EN 10084 : CONSIDERAZIONI GENERALI

VALUTAZIONE SALDABILITA’ : ALTA

PROCEDIMENTI DI SALDATURA CONSIGLIATI

SMAW B (basico); GMAW; GTAW; PAW; LBW*; EBW* ( *su acciai degasati sottovuoto )

PROCEDURE DI SALDATURA CONSIGLIATE

m.a. per acciai ad alta resistenza (EN 757; EN 12534 )+ Tp + TB

m.a. per acciai non legati (EN 499 ; EN 1668; EN 440 ) + Tp + TB

PRECAUZIONI GENERALI

saldatura in multipass

riduzione di  HD ( ≤ 5 ottimale ); ricondizionamento degli elettrodi

LEGENDA

Tp : Temperatura di minima di preriscaldo [ ° C ] ; HD : Idrogeno diffusibile [ ml/100g ]; Rd : Rapporto di diluizione [ % ] ; d : spessore combinato [ mm ] ; Q : apporto termico specifico [ kJ/mm ] ; m.a. : metallo di apporto ; TB : temper beads

WARNING

Saldare prima della cementazione previa rasatura o raccordo del cordone, su materiale allo stato ricotto o bonificato di lavorabilità

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SALDATURA ACCIAIO DA CEMENTAZIONE 28Cr4 1.7030 EN 10084 : CONSIDERAZIONI GENERALI

VALUTAZIONE SALDABILITA’ : MEDIO/BASSA

PROCEDIMENTI  DI SALDATURA CONSIGLIATI

SMAW B (basico); GMAW; GTAW; PAW; LBW*; EBW* ( *su acciai degasati sottovuoto )

PROCEDURE DI SALDATURA CONSIGLIATE

m.a. per acciai ad alta resistenza (EN 757; EN 12534 )+ Tp + TB

m.a. per acciai non legati (EN 499 ; EN 1668; EN 440 ) + Tp + TB

PRECAUZIONI GENERALI

saldatura in multipass

riduzione di  HD ( ≤ 5 ottimale ); ricondizionamento degli elettrodi

pulizia dei lembi

contenimento del grado di vincolo del giunto

contenimento di Rd, l’alto tenore di C aumenta la criccabilità a caldo

LEGENDA

Tp : Temperatura di minima di preriscaldo [ ° C ] ; HD : Idrogeno diffusibile [ ml/100g ]; Rd : Rapporto di diluizione [ % ] ; d : spessore combinato [ mm ] ; Q : apporto termico specifico [ kJ/mm ] ; m.a. : metallo di apporto ; TB : temper beads

WARNING

Saldare prima della cementazione previa rasatura o raccordo del cordone, su materiale allo stato ricotto o bonificato di lavorabilità

WARNING

Saldabilita' critica per i gradi risolforati o addizionati al Pb, elevatissima criccabilita' a caldo

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FORGIABILITA’ DEGLI ACCIAI SPECIALI

1.1      DEFINIZIONI GENERALI

La forgiabilità ( forgeability ) è una caratteristica tecnologica che descrive la predisposizione di un materiale a deformarsi senza giungere a rottura oltre che a scorrere in seguito ad una deformazione imposta. La forgiabilità presuppone che la lavorazione per deformazione plastica avvenga partendo da sbozzati che non possiedono una dimensione dominante  rispetto alle altre. La formabilità o foggiabilità ( formability ) implica invece che il semiprodotto di partenza sia la lamiera.

Gli acciai speciali da costruzione esibiscono buone caratteristiche di forgiabilità a caldo nelle versioni normali, mentre per le versioni a lavorabilità migliorata che prevedono aggiunta di zolfo o piombo la forgiabilità peggiora sensibilmente.

Durante lo stampaggio a caldo di geometrie complesse il raffreddamento esercitato dalle pareti fredde dello stampo ne ostacola il completo riempimento, la forgiabilità intrinseca del materiale influisce relativamente sul riempimento. Alfine di individuare la corretta temperatura di stampaggio o fucinatura per ogni acciaio, vengono condotte diverse tipologie di test. Per i test più comunemente usati la temperatura di stampaggio ideale è quella alla quale il materiale sopporta il maggior numero di deformazioni ripetute prima di giungere a rottura.

Nota 1.1.1 :

Definizioni :

fucinatura : deformazione plastica  a caldo con stampi aperti ( open - die forging )

stampaggio :deformazione plastica a caldo con stampi chiusi ( closed - die forging )

Le considerazioni seguenti valgono sia per lo stampaggio che per la fucinatura

1.2      Effetto dello stampaggio a caldo sulle proprietà meccaniche

Lo stampaggio determina un flusso plastico con conseguente stiramento del grano cristallino. Tale riassestamento aumenta sensibilmente caratteristiche come la duttilità, la resilienza e la resistenza a fatica in direzione parallela a quella del flusso plastico. Questo avviene in quanto lo stampaggio :

riduce le  segregazioni e la porosità tipiche di un getto

riduce le dimensioni stesse del grano attraverso una azione di frantumazione

1.3      Trattamenti termici dopo stampaggio

I componenti in acciaio speciale  stampati vengono posti in esercizio essenzialmente in quattro stati di trattamento termico :

1.3.1   Stampati naturali di stampaggio

Per componenti realizzati in acciaio a basso tenore di carbonio ( 0.10 ÷ 0.25 % C ) dove non siano richieste particolare omogeneità microstrutturale o elevate caratteristiche meccaniche, può essere tollerata l’assenza di trattamento termico conseguente lo stampaggio soprattutto in base a considerazioni di tipo economico.

1.3.2   Stampati trattati termicamente per  migliorare la lavorabilità

Quando un componente stampato a caldo deve subire consistenti lavorazioni per asportazione di truciolo è necessario eseguire un trattamento termico che migliori la lavorabilità. Tale trattamento preliminare può essere : la ricottura completa, di sferoidizzazione, di addolcimento, la normalizzazione e la normalizzazione seguita da rinvenimento di addolcimento. La scelta del trattamento termico per il  miglioramento della lavorabilità dipende dalla composizione chimica dell’acciaio e dalla specifica lavorazione per asportazione di truciolo che si intende ottimizzare.

1.3.3   Stampati trattati termicamente per l’ottenimento di determinate caratteristiche meccaniche

La normalizzazione, o la normalizzazione seguita da rinvenimento di addolcimento, possono garantire solo un valore minimo di durezza o di carico di rottura a trazione per un componente stampato. Nella maggior parte dei casi viene prescritta la bonifica per conferire al pezzo le desiderate caratteristiche meccaniche finali. Per stampati che debbano possedere dopo bonifica carichi di rottura superiori ai 1000 MPa e che presentino brusche variazioni di sezione, è buona norma eseguire un trattamento di normalizzazione prima della bonifica, alfine di uniformare ed affinare il grano oltre che minimizzare le tensioni residue.

1.3.4   Stampati trattati termicamente per incrementare la stabilità dimensionale

Per componenti stampati realizzati in acciaio ad alta temprabilità o di geometria particolarmente complessa, dove la stabilità dimensionale è prioritaria, possono essere eseguiti dopo stampaggio a caldo trattamenti speciali come : il martempering, la ricottura di distensione o il rinvenimento multiplo. 

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STRUTTURA A BANDE DEGLI ACCIAI

1.1      DEFINIZIONI GENERALI

Nella pratica industriale la solidificazione di un acciaio avviene sotto forma di dendriti ( 1 ) le quali si sviluppano secondo direzioni cristallografiche preferenziali dipendenti dalla legge di raffreddamento seguita dalla lega liquida. La composizione chimica delle dendriti non è omogenea in quanto i cristalli che solidificano per primi sono ricchi di elementi ad alto punto di fusione mentre i cristalli che solidificano per ultimi tra gli spazi interdendritici sono ricchi di elementi a basso punto di fusione. Questo fenomeno di anisotropia chimica a livello microscopico è comunemente definito microsegregazione.

Quando i lingotti o i prodotti da colata continua vengono sottoposti a deformazione plastica a caldo ( stampaggio, fucinatura, laminazione ) i singoli grani  vengono “stirati”, generando la struttura a bande, in direzione parallela a quella della deformazione massima imposta dalla lavorazione a caldo. Il prodotto deformato a caldo presenta una struttura a bande  tanto più accentuata quanto maggiori sono l’anisotropia chimica e la dimensione media originarie delle dendriti.

1.2      MODALITA’ DI MISURAZIONE

La struttura a bande di una acciaio è osservabile a livello microscopico  dopo opportuni trattamenti termici, lucidatura ed attacco metallografico ( 2 ) del saggio da sottoporre ad esame. Una volta evidenziata la struttura a bande dell’acciaio è possibile associare a essa un grado, mediante il confronto con  immagini tipo a ingrandimenti prefissati ( 50X,100X ). In Fig. 1.1 si propone un immagine tipo rappresentativa del grado V valida per i soli acciai da cementazione ( UNI 8449 : 1983 ).

Fig. 1.1 Struttura a bande grado V acciai da cementazione

1.3      CONSEGUENZE

Una struttura a bande di grado elevato, quindi grossolana, favorisce variazioni locali di temprabilità, di conseguenza :

Peggiora la cementabilità ( 3 )

Aumentano le deformazioni e le rotture dopo tempra

Peggiora la lavorabilità per asportazione di truciolo.

1.4      RIMEDI

La struttura a bande di un acciaio può essere contenuta con interventi pre e post solidificazione.

Interventi pre-solidificazione :

Riduzione delle dimensioni delle dendriti attraverso l’aumento dei nuclei di solidificazione e l’agitazione della lega allo stato liquido

Riduzione del  tenore degli elementi bassofondenti

Interventi post-solidificazione :

Aumento dei rapporti di riduzione durante la deformazione plastica a caldo

   ( 1 ) Dendrite : struttura cristallina di solidificazione dalla morfologia arborescente

( 2 ) Attacco metallografico : soluzione chimica che corrode in modo preferenziale evidenziando le diverse fasi ed i bordi grano

( 3 ) Cementabilità : capacità di un acciaio di arricchirsi superficialmente di C e/o N sia in termini di velocità di diffusione che di tenore massimo

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STATO INCLUSIONALE DEGLI ACCIAI

1.1    DEFINIZIONI GENERALI

Sono definite inclusioni non metalliche tutte le impurezze che non possiedono le proprietà fisiche tipiche dei metalli e che non fanno parte integrante della struttura della matrice metallica.

Le inclusioni non metalliche possono essere classificate in due categorie :

1.      inclusioni non metalliche endogene : si generano nel bagno metallico per effetto delle reazioni che hanno luogo durante il processo produttivo dell’acciaio. La loro formazione è vincolata alla diversa affinità chimica che gli elementi presenti nel bagno possiedono nei confronti dello zolfo, dell’ossigeno e dell’azoto. Possono quindi essere suddivise in :

solfuri

ossidi

nitruri

2.      inclusioni non metalliche esogene : hanno differenti origini per definizione esterne al bagno metallico ( inclusioni di scoria, materie estranee che inquinano la carica, frammenti dei materiali refrattari che rivestono il forno, i canali di colata etc.)

1.2    MODALITA’ DI MISURAZIONE

La norma UNI 3244 : 1980 illustra i metodi micrografici fondamentali impiegati per la valutazione delle inclusioni non metalliche negli acciai, principalmente solfuri e ossidi. L’esame si effettua su provette metallografiche che vengono esaminate al microscopio ottico per confronto visivo con immagini tipo.

La tavola delle immagini tipo comprende 10 serie ( colonne ) di immagini con inclusioni di vario tipo e forma, divise ognuna in 9 gradi ( righe ) che rappresentano la diversa entità delle inclusioni ( in Fig. 1.1 le prime n. 5 serie ). Secondo il tipo e la forma si distinguono quattro gruppi principali di inclusioni :

ossidi in forma allungata ( tipo silicati, 3 serie ) OS

ossidi in forma globulare dispersa ( 2 serie ) OG

solfuri di forma allungata ( 2 serie ) SS

ossidi frammentati allineati ( tipo allumina, 3 serie ) OA

Gli indici a due numeri delle immagini tipo si compongono del numero contrassegnante la serie ( tipo e forma dell’inclusione non metallica, prima posizione ) e del numero contrassegnante il grado ( entità dell’inclusione non metallica, seconda posizione ).

Per una corretta analisi dello stato inclusionale di un acciaio devono essere analizzate almeno n. 6 provette ricavate da pezzi diversi dello stesso tipo ( o da saggi ricavati dallo stesso lotto di produzione ), esaminate senza attacco metallografico al microscopio ottico a 100X.

Ogni campo da esaminare deve avere grandezza uguale a quella dell’immagine tipo ( un cerchio di diametro pari a 80 mm ). Nella valutazione delle inclusioni non metalliche presenti in un campo di misura, si determina a quale immagine tipo della tavola esse si avvicinano maggiormente. Una volta eseguite le osservazioni al microscopio  esistono due metodi fondamentali di valutazione dello stato inclusionale.

1.2.1   Valutazione secondo il grado massimo ( METODO M )

E’ il metodo utilizzato per gli acciai speciali da costruzione. Su ogni provetta si esamina la superficie lucidata, di circa 150 mm2, destinata alla valutazione e si stabilisce, in base ad ogni serie considerata di immagini tipo, il grado massimo riscontrato che viene registrato. Si calcola quindi la media aritmetica dei gradi massimi rilevati sulle provette esaminate. Questi valori medi servono per caratterizzare il grado di purezza dell’unità di collaudo in esame.

1.2.2   Valutazione secondo un grado minimo prefissato, con formazione di indici di sommatoria ( METODO K )

Si rilevano le inclusioni non metalliche a partire da un determinato grado minimo e si indica il grado di purezza di una colata o di un lotto come indice totale proporzionale alla superficie delle inclusioni. Per la valutazione si deve decidere  da quale grado si devono iniziare a contare le inclusioni non metalliche. Questo grado minimo viene stabilito secondo il procedimento di elaborazione e secondo le applicazioni previste dell’acciaio in esame. Generalmente vengono considerati i seguenti gradi minimi :

grado ≥ 4 ( simbolo K4 ) : per acciai speciali elaborati in aria ( acciai per cuscinetti, da costruzione e per utensili con speciali requisiti qualitativi )

grado ≥ 0 ( simbolo K0 ) : per acciai speciali o leghe elaborati sottovuoto  o rifusi sottoscoria elettroconduttrice 

Fig. 1.1 Tavola delle immagini tipo delle inclusioni secondo UNI 3244 : 1980, prime n. 5 serie

1.3    CONSIDERAZIONI

Le inclusioni non metalliche costituiscono un difetto in quanto rappresentano un intaglio nella matrice metallica.

In relazione alla loro dimensione massima possono comportare un abbattimento del limite di fatica ( vedi tool DEEPHARDNESS 1.0 e 2.0, INDUCTIONHARDNESS 1.0, LASERHARDNESS 1.0 ).

Alcune tipologie di inclusioni non metalliche migliorano la lavorabilità alle macchine utensili dell’acciaio. E’ il caso dei solfuri di manganese ( MnS, Nota 1.1 ) e dei solfuri di calcio ( CaS ). Negli acciai per lavorazioni meccaniche ad alta velocità, comunemente detti acciai automatici o AVP, in aggiunta allo S si hanno alti tenori di Pb, il quale funziona da lubrificante liquido durante il processo di formazione e rottura del truciolo. Ulteriori aggiunte di elementi come tellurio ( Te ), selenio ( Se ) e bismuto ( Bi ) aumentano la lavorabilità dell’acciaio agendo sulla morfologia e deformabilità delle inclusioni non metalliche.

Nota 1.1

In relazione alla percentuale di S che garantisce una adeguata formazione di solfuri di manganese ( MnS ), è importante osservare che alcuni moderni acciai da bonifica   ( UNI EN 10083-1 : 1998 ) o da cementazione ( UNI EN 10084 : 2000 ) possono essere prescritti a ZOLFO CONTROLLATO con percentuali di S%=0.020÷0.040, per garantire la lavorabilità alle macchine utensili. Questi acciai vedono la presenza delle lettere R ed S nella designazione alfanumerica, rispettivamente nel caso di acciai non legati o legati.

Esempi :

acciaio C45R                       UNI EN 10083 - 1 : 1998

acciaio 42CrMoS4              UNI EN 10083 - 1 : 1998

acciaio C10R                       UNI EN 10084  :  2000

acciaio 20MnCrS5              UNI EN 10084  :  2000

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DIMENSIONE DEL GRANO

1.1    DEFINIZIONI GENERALI

Nella pratica industriale la solidificazione di un metallo o di una lega metallica avviene sotto forma di dendriti ( 1 ) le quali si sviluppano secondo direzioni cristallografiche preferenziali dipendenti dalla legge di raffreddamento seguita dal metallo o dalla lega liquida. La crescita di una dendrite ha termine quando viene ostacolata da altre dendriti che si sviluppano nello spazio circostante. Ogni singolo grano si sviluppa da nuclei di solidificazione la cui frequenza dipende dalla composizione chimica della lega, dalla presenza di particelle estranee e dalla temperatura del liquido. La struttura di solidificazione finale è quindi policristallina, ogni singolo cristallo viene definito grano e le superfici che definiscono il grano vengono definite bordi grano. La dimensione media che assume il grano ad una definita temperatura è detta dimensione del grano. Nel caso di acciai speciali da costruzione, che vengono messi in esercizio in differenti stati di trattamento termico, la dimensione del grano che maggiormente interessa è quella esistente in campo austenitico ( 2 ), definita appunto dimensione del grano austenitico.

1.2    MODALITA’ DI MISURAZIONE

Dopo una adeguata lucidatura del saggio di acciaio da esaminare, il grano è evidenziabile con particolari attacchi metallografici ( 3 ). Quando si desidera conoscere la  dimensione del grano austenitico si deve eseguire, prima della lucidatura e dell’attacco, un adeguato trattamento termico sul saggio, il quale ripristini la dimensione che il grano raggiunge in campo austenitico.

Una volta evidenziato il grano deve essere assegnato un indice di grossezza del grano G , positivo, negativo o nullo che viene ricavato a partire dal numero medio  m  dei grani osservati su un area pari a 1 mm2.

Per definizione si ha :

G = 1 per m = 16

Gli altri indici di grossezza del grano si ricavano dalla formula :

m = 8 x 2G

quindi :

G = log m / log 2 – 3

In Tab. 1.1 si definisce il numero medio di grani m al mm2 per ogni valore di G, risulta evidente che al crescere del valore di G la dimensione del grano diminuisce. 

Tab. 1.1 Numero di grani al mm2

Nota 1.1

Viene comunemente definito acciaio ( speciale da costruzione ) a grano fine un acciaio osservato a 100X con dimensione del grano austenitico con  indice G ≥ 5 ( vedi tool INDUCTIONHARDNESS 1.0, LASERHARDNESS 1.0, CASEHARDNENING 1.0 )

Nota 1.2

La normativa americana ASTM E 112 - 82 introduce un indice di dimensione del grano che differisce da quello proposto dalla norma UNI 3245 : 1987

G ( ASTM ) – G ( UNI ) = 0.0458

L’indice G ( ASTM ) fornisce quindi una misura della dimensione del grano del tutto confrontabile con quella definita dall’indice G ( UNI )

1.3    CONSIDERAZIONI

A basse temperature i bordi grano sono generalmente più resistenti del cuore del grano stesso, sotto carichi elevati il materiale tende a fratturarsi secondo superfici che attraversano i grani. Di contro a temperature elevate il bordo di grano è più debole del cuore e la frattura si propaga lungo le superfici di separazione fra i grani. Di conseguenza è intuitivo che :

Un acciaio a grano fine possiede migliori caratteristiche resistenziali a medio - basse temperature ( T < 400 ° C )

Un acciaio a grano grosso  possiede migliori caratteristiche resistenziali ad alte temperature ( T > 400 ° C )

In termini di ripetibilità di trattamento termico, di temprabilità e cementabilità ( 4 ) :

Al crescere della dimensione del grano austenitico aumenta la temprabilità dell’acciaio ma anche la possibilità di incorrere in cricche di tempra e deformazioni

Un grano mediamente fine garantisce buona ripetibilità in fase di trattamento termico e discreta cementabilità ( vedi tool INDUCTIONHARDNESS 1.0, LASERHARDNESS 1.0, CASEHARDNENING 1.0  ). Un grano eccessivamente fine si oppone alla diffusione del carbonio e dell’azoto in fase di cementazione, rendendola difficoltosa

  ( 1 ) Dendrite : struttura cristallina di solidificazione dalla morfologia arborescente

( 2 ) Campo austenitico : campo di esistenza della fase Fe γ ( austenite ), definito da temperature superiori ad    Ac3

( 3 ) Attacco metallografico : soluzione chimica che corrode in modo preferenziale evidenziando le diverse fasi ed i bordi grano

( 4 ) Cementabilità : capacità di un acciaio di arricchirsi superficialmente di C e/o N sia in termini di velocità di diffusione che di tenore massimo

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TENSIONI RESIDUE

1.1             DEFINIZIONE GENERALE 

Tensioni presenti in un corpo non necessarie a mantenerlo in equilibrio con l’ambiente esterno

Si tratta quindi di uno stato di sollecitazione interna del componente meccanico generato dalla presenza di porzioni soggette a sforzi di varia entità e verso che si autoequilibrano. Quando in una zona del pezzo sono presenti tensioni residue di trazione  ( convenzionalmente di segno positivo ), inevitabilmente nella restante parte dovranno essere presenti tensioni residue di compressione ( convenzionalmente di segno negativo ), in modo da bilanciare le prime.

Intuitivamente è possibile affermare che :

Le porzioni di un componente costrette ad assumere dimensioni maggiori delle loro dimensioni  originali sono sedi di tensioni residue di trazione

Le porzioni di un componente costrette ad assumere dimensioni minori delle loro dimensioni originali sono sedi di tensioni residue di compressione

La quota delle tensioni che eccede il limite elastico plasticizza il materiale alterandone in modo permanente dimensioni e forma, mentre la rimanente quota resta immagazzinata come tensioni interne.

Nel caso in cui un pezzo dotato di tensioni residue venga sottoposto a processi di asportazione di materiale, insieme al materiale viene asportata anche parte delle tensioni residue esistenti. Di conseguenza il sistema di tensioni interne non è più equilibrato. La ridistribuzione delle tensioni interne avviene attraverso la deformazione del pezzo ( vedi p.to 1.4.1 Ricottura di distensione ).

Alfine di valutare la resistenza in esercizio di un componente, il valore delle sollecitazioni esterne dovrebbe essere sommato algebricamente a quello delle tensioni interne.

Tensioni residue di trazione in corrispondenza della superficie di un pezzo hanno un effetto negativo sulla vita a fatica, in quanto favoriscono l’innesco e la propagazione delle cricche.

Di contro tensioni residue di compressione hanno un effetto positivo in quanto vengono ostacolati l’innesco e  la propagazione delle cricche. Questo effetto benefico viene sfruttato nei trattamenti meccanici come la pallinatura e la rullatura, nei trattamenti termochimici e di tempra superficiale.

1.2      MODALITA’ DI MISURAZIONE

Le tensioni residue vengono misurate con successo tramite tecniche diffrattometriche ai raggi X. Nel caso di analisi in laboratorio di componenti di grosse dimensioni che non trovano spazio nella camera di misura, deve essere prestata estrema attenzione nel sezionamento, il quale come precedentemente accennato può alterare lo stato tensionale residuo.

1.3      CONSIDERAZIONI

Esistono tre tipologie di generazione delle tensioni residue :

generazione meccanica : può causare tensioni residue di trazione o compressione

generazione termica : causa sempre tensioni residue di trazione

generazione da trasformazione di fase : generalmente causa tensioni residue di compressione

In Tab.1.1 si propone un quadro puramente qualitativo che descrive l’ effetto di trattamenti termici, superficiali e di lavorazioni meccaniche sullo sviluppo di tensioni residue in un componente meccanico.

Tab. 1.1 Tensioni residue vs trattamenti e lavorazioni meccaniche

1.4      RIMEDI

Per modificare lo stato delle tensioni residue in un componente meccanico sono utilizzabili due trattamenti : termico ( ricottura di distensione ) e meccanico ( pallinatura e rullatura ).

1.4.1   Ricottura di distensione

Nel caso di componenti meccanici realizzati in acciaio, il trattamento termico di ricottura di distensione consiste in :

riscaldo ad una temperatura sufficientemente elevata ( < Ac1 ( 1 ) )

mantenimento  a tale temperatura per un tempo adeguato in modo da provocare il rilassamento delle tensioni residue ( a scapito di una deformazione del pezzo )

raffreddamento lento generalmente in forno fino a circa 350 ° C, in seguito in aria

L’effetto combinato di temperatura e tempo può essere riassunto mediante l’introduzione di un unico parametro, detto parametro di Larson - Miller , definito dalla relazione :

PLM = T ( log t + 20 ) 1000                       con : [ T ] = ° R          [ t ] = h

L’entità della riduzione delle tensioni residue prodotta dal trattamento di distensione aumenta al crescere del PLM, mentre resta invariata a fronte di una variazione combinata di T e t tale da non comportare una variazione del PLM.

1.4.2   Pallinatura e rullatura

Modificano lo stato  tensionale superficiale adducendo tensioni residue di compressione. Si utilizzano quando sia necessario limitare tensioni di trazione lasciate da lavorazioni precedenti o quando si vogliano sfruttare i vantaggi delle tensioni residue di compressione come l’incremento della resistenza a fatica  e della resistenza a stress corrosion.

   ( 1 ) Ac1  : temperatura alla quale comincia a formarsi l’austenite eutettoide nelle condizioni di riscaldo

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DUREZZE SUPERFICIALI OTTENIBILI DOPO TRATTAMENTI TERMOCHIMICI E DI TEMPRA SUPERFICIALE SU ACCIAI SPECIALI DA COSTRUZIONE

1.         INTRODUZIONE

In carbocementazione e tempra e carbonitrurazione e tempra il range di durezza superficiale  ottenibile dipende da :

modalità di trattamento pre e post cementazione ( carbocementazione o carbonitrurazione )

composizione chimica dell’acciaio

stato superficiale

In nitrurazione e nitrocarburazione ferritica la durezza superficiale minima ottenibile dipende da :

composizione chimica dell’acciaio

modalità di trattamento di nitrurazione o nitrocarburazione

stato superficiale

stato di trattamento termico di partenza

In tempra superficiale il range di durezza superficiale ottenibile dipende da :

tenore di carbonio dell’acciaio

stato superficiale

stato di trattamento termico di partenza

E’ possibile eseguire trattamenti termochimici su acciai speciali non dedicati ad esempio nitrurazioni su acciai da cementazione o carbonitrurazioni su acciai da bonifica. Analogamente è possibile temprare superficialmente acciai da bonifica o da nitrurazione e non solo acciai specifici per tempra superficiale.

Perché trattare termicamente un acciaio con procedimenti alternativi ?

applicazioni speciali :

necessità di ottenere alte durezze a cuore

necessità di ottenere alte tenacità a cuore

necessità di eseguire trattamenti diversi su uno stesso pezzo ( es. nitrurazione + tempra superficiale )

prototipazione

difficoltosa reperibilità dell’acciaio standard

riduzione dei costi      

2.         TRATTAMENTI TERMOCHIMICI

Nella mappa di eseguibilità definita in Tab. 2.1 sono rappresentate le possibili combinazioni di trattamento termochimico ( carbocementazione, carbonitrurazione, nitrurazione e nitrocarburazione ferritica ) per ogni acciaio speciale da costruzione, diviso in famiglia e normativa di riferimento.

Il tool CASEHARDENING 1.0 definisce oltre 1000 possibili combinazioni di materiale e trattamento termochimico.

  Tab. 2.1 Mappa di eseguibilità Acciai Speciali da Costruzione vs Trattamenti Termochimici

3.         TEMPRA SUPERFICIALE

La durezza superficiale ottenibile in tempra superficiale dipende essenzialmente dal tenore di C dell’acciaio. In Fig. 3.1 è rappresentato l’andamento qualitativo della durezza HRC in funzione della % C per trasformazioni martensitiche ( 1 ) tipiche dei processi di tempra superficiale.

I tool INDUCTIONHARDNESS 1.0 e LASERHARDNESS 1.0,  definiscono i range di durezza superficiale ottenibili  rispettivamente in tempra ad induzione e tempra laser, per oltre 170 acciai speciali da costruzione.

Fig. 3.1 Andamento qualitativo della durezza HRC in funzione della percentuale di C per trasformazioni martensitiche  caratteristiche dei processi di tempra superficiale

  ( 1 ) Trasformazione martensitica : trasformazione dell’austenite ( soluzione solida del C nel Fe γ ) in martensite  ( soluzione solida sovrassatura metastabile del C nel Fe α ), comportante un aumento di durezza e di  volume

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DEFORMAZIONI DA TRATTAMENTO TERMICO

1.1      DEFINIZIONI GENERALI

Un trattamento termico può indurre su un pezzo due tipologie di deformazione :

deformazione indotta da variazioni dimensionali

deformazione indotta da variazioni di forma ( dette distorsioni )

Il trattamento massivo per acciai maggiormente deformante è la tempra, che per definizione comporta trasformazione martensitica ( 1 ) e quindi aumento di volume.  Quando le deformazioni indotte rendono impossibile il recupero dei componenti mediante raddrizzatura è necessaria una maggiorazione dei sovrametalli. Altri trattamenti termici massivi come la normalizzazione, le ricotture ed i rinvenimenti deformano i pezzi in minor misura rispetto alla tempra.

Durante la realizzazione di un componente meccanico trattato termicamente si seguono 5 fasi fondamentali, ognuna delle quali influisce sulla deformazione finale del componente stesso:

formatura ( deformazione plastica a caldo, fusione, giunzione tramite saldatura, lavorazione meccanica ) 

riscaldo primario

mantenimento

raffreddamento

riscaldo secondario ( rinvenimento o invecchiamento )

 ( I p.ti 2, 3, 4, 5 definiscono il ciclo di trattamento termico)

La successione di queste 5 fasi può comportare il verificarsi di alcuni fenomeni che contribuiscono alla deformazione finale del pezzo :

Dilatazione termica

Variazioni di volume dovute a trasformazione di fase

Anisotropia nella modalità di trasformazione durante il trattamento termico dovute a  variazioni nella composizione chimica lungo la sezione del componente 

Deformazione ad alte temperature dovute al peso proprio del pezzo

Elevati gradienti di riscaldamento e raffreddamento favoriti da  brusche variazioni di sezione  e distribuzione delle masse asimmetrica

Assestamenti dovuti al rilascio di tensioni residue ( 2 ) generatesi durante le precedenti lavorazioni meccaniche o di deformazione plastica

1.2      CONSIDERAZIONI

Data la molteplicità delle variabili in gioco, è pressoché impossibile prevedere quantitativamente la deformazione complessiva di un pezzo di geometria complessa dopo trattamento termico, possono di contro essere fatte alcune considerazioni progettuali di tipo qualitativo.

  1.3      RIMEDI

A parità di condizioni, all’aumentare della temprabilità dell’acciaio aumenta la deformabilità.

Le tensioni residue dovute a processi di formatura possono essere ridotte tramite ricottura di distensione ( 3 ) prima della finitura. Le deformazioni ad alte temperature dovute al peso proprio del pezzo possono essere limitate progettando opportune attrezzature di supporto  del componente nel forno di trattamento.

Al fine di contenere i gradienti termici è buona norma rispettare le seguenti regole fondamentali :

massimizzare la simmetria

massimizzare  la semplicità geometrica

massimizzare i raggi di raccordo

minimizzare l’entità delle variazioni di sezione

minimizzare fori, cave, sedi

minimizzare  le sezioni lunghe e sottili

( 1 ) Trasformazione martensitica : trasformazione dell’austenite ( soluzione solida del C nel Fe γ ) in martensite  ( soluzione solida sovrassatura metastabile del C nel Fe α ), comportante un aumento di volume

( 2 )Tensioni residue : tensioni presenti in un corpo non necessarie a mantenerlo in equilibrio con l’ambiente esterno

( 3 ) Ricottura di Distensione : Per gli acciai speciali da costruzione consiste generalmente in un riscaldo a temperatura inferiore ad Ac1, permanenza ( 2 ÷ 4 h ), raffreddamento lento fino a 350 °C ed in seguito veloce piacere

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AUSTENITE RESIDUA

1.1      Definizione generale

Presenza di percentuali di austenite ( 1 )  non trasformata nella matrice metallica, che permangono a temperatura ambiente dopo tempra.

E’ spesso presente negli strati induriti carbocementati e temprati o carbonitrurati e temprati, in tenori valutabili quantitativamente  con tecniche diffrattometriche ai raggi X. In Fig. 1.1 come si presenta metallograficamente l’austenite residua in uno strato carbocementato e temprato.

1.2      Conseguenze

L’austenite è un costituente strutturale caratterizzato da bassa durezza,  determina quindi un calo delle caratteristiche resistenziali. Intuitivamente i tenori di austenite residua vanno contenuti in pezzi soggetti a fatica ed usura. Vengono considerati accettabili tenori massimi di austenite residua del 10 %. L’austenite residua soggetta a  sollecitazioni meccaniche cicliche si trasforma in martensite ( 2 ) con conseguente aumento di volume. E’ possibile quindi che l’accoppiamento meccanico progettato veda nascere interferenza durante l’esercizio, giungendo talvolta  al grippaggio.

1.3      Rimedi

L’austenite residua può evolvere termicamente in martensite dopo trattamento sottozero ( 3 ), il quale deve essere eseguito subito dopo tempra e prima del rinvenimento ( di distensione o di addolcimento  ). In diversi cicli di trattamento di ingranaggeria e componentistica di sicurezza del settore automotive il trattamento sottozero è ormai divenuto prassi comune.

 Nota 1.1

In alcuni casi l’austenite residua è desiderata. Ad esempio negli acciai per uso criogenico ad alto Ni, l’austenite residua allo stato di fornitura può raggiungere il 20%, contribuendo a garantire l’ elevata tenacità a bassa temperatura caratteristica di questi materiali.

Nota 1.2

Per verificare le combinazioni di trattamento termochimico e acciaio, che maggiormente favoriscono la presenza di austenite residua, è disponibile il tool CASEHARDENING 1.0

Fig. 1.1 Austenite residua ( chiara ) e martensite ( scura ) 

   ( 1 )  Austenite : soluzione solida del C nel Fe γ

( 2 ) Martensite : soluzione solida sovrassatura metastabile del C nel Fe α

( 3 ) Trattamento sottozero : Generalmente – 80 ° C x 2h per pezzi carbocementati e temprati o carbonitrurati e temprati

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DECARBURAZIONE

1.1      DEFINIZIONE GENERALE 

Fenomeno superficiale che consiste nell’ impoverimento di carbonio in un componente realizzato in materiale ferroso.

E’ presente in tutti i pezzi deformati a caldo che vengono a contatto con l’ossigeno atmosferico o trattati termicamente con austenitizzazione in aria ( ricotti, normalizzati, bonificati ) o in una atmosfera protettiva non efficace. Anche i prodotti finiti a freddo, quando realizzati direttamente da prodotti deformati plasticamente a caldo, presentano fenomeni di decarburazione superficiale.

1.2      DEFINIZIONI SPECIFICHE 

1.  decarburazione superficiale totale : definita da una totale perdita di carbonio superficiale

2.   decarburazione superficiale parziale : definita da una parziale perdita di carbonio superficiale

3. decarburazione complessiva o globale : definita come l’insieme dei due tipi di decarburazione totale e parziale

4. profondità di decarburazione complessiva o globale : distanza tra la superficie del pezzo ed il limite a partire dal quale il tenore di carbonio coincide con quello del metallo di base non alterato

La profondità della decarburazione complessiva dipende da :

temperatura massima di deformazione a caldo o di trattamento

tempo di permanenza a tale  temperatura

tipo di atmosfera

tipo di materiale ferroso

 1.3      CONSEGUENZE 

La decarburazione superficiale causa :

diminuzione del limite di fatica

diminuzione delle caratteristiche meccaniche resistenziali

diminuzione della durezza dopo tempra superficiale ( vedi tool  INDUCTIONHARDNESS 1.0 e LASERHARDNESS 1.0 )

difficoltà nella esecuzione dei trattamenti termochimici di diffusione ( vedi tool CASEHARDENING 1.0  )

 1.4      RIMEDI

E’ possibile tutelarsi dalla decarburazione superficiale prevedendo un adeguato sovrametallo di lavorazione meccanica ( diversamente è possibile eseguire un trattamento di  carburazione per ripristinare il tenore originario di carbonio in superficie ). In Tab. 1.1 si definiscono i sovrametalli consigliati in funzione della tecnologia realizzativa e delle dimensioni trasversali dei grezzi.

Tab. 1.1 Sovrametalli per grezzi decarburati

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Acciai : CLASSIFICAZIONE DEI TRATTAMENTI TERMICI MASSIVI

Una possibile classificazione dei trattamenti termici massivi ( Tab. 1.1 )  è eseguibile in base :

 1.      Alla modalità di raffreddamento :

Convenzionale : velocità di raffreddamento continua

Isotermica : velocità di raffreddamento discontinua con condizioni isoterme

 2.      Alle finalità del trattamento termico :

Preliminare : serve a predisporre l’acciaio a lavorazioni meccaniche o a trattamenti termici successivi

Finale : serve a conferire all’acciaio le caratteristiche definitive necessarie allo specifico impiego

Tab. 1.1 Classificazione dei trattamenti termici massivi 

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ACCIAI EFFERVESCENTI ED ACCIAI CALMATI

Gli acciai vengono suddivisi in due classi fondamentali in funzione del grado di disossidazione che hanno subito in fase di elaborazione :

1.1 Acciai effervescenti (effervescenza libera, effervescenza bloccata )

Acciai ad effervescenza libera ( RIMMED STEELS ) (fig.1.1 - a ) :

La quasi totale assenza di elementi disossidanti favorisce la seguente reazione durante la solidificazione in lingottiera

FeO + C → Fe + CO

Ne deriva una  forte effervescenza che impedisce la formazione della cavità di ritiro ed il lingotto presenta soffiature distribuite sotto un primo strato di lega pura e compatta, con una marcata eterogeneità chimica

 1.1.2       Acciai ad effervescenza bloccata ( CAPPED STEELS )  (fig.1.1 - b ) :

I lingotti colati con questi acciai subiscono un trattamento chimico                        ( CHEMICALLY CAPPED STEELS ) o meccanico ( MECHANICALLY CAPPED STEELS ) mediante il quale l’effervescenza viene arrestata non appena si è formato lo strato esterno di lega pura e compatta. La distribuzione delle soffiature è differente dal caso precedente ( acciai ad effervescenza libera ).

Gli  acciai effervescenti, sempre a basso tenore di C ( < 0.25 % ), possiedono ottime caratteristiche di deformabilità plastica a freddo e pessima saldabilità a causa dell’infragilimento da invecchiamento a cui sono soggetti

1.2 Acciai non effervescenti ( semicalmati, calmati  e calmati a grano fine )

1.2.1   Acciai semicalmati ( SEMIKILLED STEELS ) (fig.1.1 -  c ) :

Presentano un limitato sviluppo di CO che ostacola la formazione di cavità di ritiro. Lo sviluppo di gas è inferiore a quello che si ha nella solidificazione degli acciai effervescenti ma superiore a quello relativo agli acciai calmati. Come elementi disossidanti vengono abitualmente utilizzati il silicio e l’alluminio. Gli acciai semicalmati possiedono in genere un tenore di carbonio compreso tra lo 0.15 % e lo 0.30 % e trovano impiego in un ampio campo di applicazioni di tipo strutturale.

Acciai calmati ( KILLED STEELS ) ( fig.1.1 - d ) :

Non si ha in pratica effervescenza ed il lingotto presenta la tipica cavità di ritiro, con una buona omogeneità chimica. I disossidanti più utilizzati sono l’alluminio ed il silicio.

Acciai calmati a grano fine ( KILLED FINEGRAIDED STEELS ) :

Attraverso l’aggiunta di elementi alliganti  tipo zirconio, niobio, titanio o vanadio si ottiene un’adeguata finezza del grano austenitico, superiore al grado 5

Un acciaio calmato può possedere qualsiasi composizione chimica purchè risulti totalmente disossidato.

Un acciaio non calmato è da considerarsi non saldabile . 

Figura 1.1 Sezioni di lingotti di acciaio : ad effervescenza libera  ( a ) , ad effervescenza bloccata (  b ), semicalmato ( c ) e calmato ( d )

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TEMPRABILITA'

Definizione  generale

Profondità di trasformazione martensitica ( 1 )

La temprabilità definisce quindi la penetrazione della durezza ed il suo andamento decrescente dalla superficie verso il cuore del pezzo, indipendentemente dal massimo valore di durezza superficiale ottenibile.

Un acciaio è molto temprabile se possiede dopo tempra alte percentuali di martensite, e quindi alta durezza, anche in profondità e non solo superficialmente ( es. un C60 raggiunge durezze superficiali nettamente superiori a quelle di un 30CrNiMo8, pur possedendo temprabilità altrettanto inferiore )

La temprabilità di un acciaio dipende essenzialmente da :

composizione chimica dell’acciaio

dimensione del grano austenitico ( 2 )

1.2      Modalita’ di misurazione

La prova universalmente adottata per acciai di temprabilità media è la prova Jominy ( ASTM A255 ; EN ISO 642 : 2003  ), condotta temprando in acqua una provetta dell’acciaio da testare di dimensioni standard ( Fig.1.1 ). Il risultato della prova è la banda Jominy, che definisce le durezze HRC massime e minime ottenibili sulla superficie laterale rettificata della provetta temprata, in funzione della distanza dalla faccia raffreddata. In Fig. 1.2 è rappresentata la banda Jominy dell’acciaio da bonifica 42CrMo4 H.

1.3      Considerazioni

La temprabilità è la caratteristica tecnologica che maggiormente influisce sulla scelta di un acciaio speciale da costruzione. Al crescere della temprabilità aumentano le caratteristiche meccaniche ottenibili a cuore ma anche la deformabilità. Di conseguenza è fondamentale utilizzare l’acciaio con minore temprabilità che garantisca le caratteristiche meccaniche desiderate in una specifica sezione del pezzo.

Gli acciai moderni, ad esempio da bonifica o da cementazione, prevedono la prescrizione di bande di temprabilità ristretta. Con la prescrizione ristretta HH, l’acciaio possiede la semibanda ( 2/3 ) superiore, con la prescrizione ristretta HL la semibanda ( 2/3 ) inferiore, con la prescrizione normale H l’acciaio è caratterizzato dall’intera banda Jominy  ( Fig. 1.2, 1.3 ). 

Le bande Jominy forniscono indicazioni sulla temprabilità relativa di un acciaio. In Fig 1.4 si propongono a titolo di confronto le curve di HRCmax per acciai da bonifica  UNI EN 10083-1:1998.

E’ ancora una volta da osservare che le bande Jominy sono ricavate  per condizioni di prova standard, nella pratica di  trattamento termico un pezzo  di geometria e dimensioni variabili può essere temprato con differenti mezzi di raffreddamento ( oltre all’acqua, olio, sali fusi, soluzioni acquose di polimeri etc. )

  Fig. 1.1 Schema della prova Jominy

 Fig. 1.2 Banda Jominy acciaio 42CrMo4 H

Fig. 1.3 Bande di temprabilità ristretta acciaio 42CrMo4

Fig. 1.4 Confronto temprabilità acciai da bonifica UNI EN 10083-1 : 1998

( 1 ) Trasformazione martensitica : trasformazione dell’austenite ( soluzione solida del C nel Fe γ ) in martensite  ( soluzione solida sovrassatura metastabile del C nel Fe α ), tipica del processo di tempra degli acciai

( 2 ) Dimensione del grano austenitico : dimensione del grano dell’acciaio a temperature maggiori di AC3

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Acciai : CURVE CCT ( CURVE DI TRASFORMAZIONE ANISOTERMA DELL’AUSTENITE o CURVE CONTINUE )

Molti dei trattamenti termici di uso comune non prevedono mantenimenti isotermici ma raffreddamenti continui. Le curve CCT ( rappresentate in un diagramma T - log t ) sono ottenute segnando su un fascio di traiettorie di raffreddamento  i punti di inizio e fine trasformazione dell’austenite ( Fig. 1.1 )  e risultano spostate in basso e a destra rispetto alle rispettive curve TTT per uno stesso acciaio.

Nelle curve CCT sono indicate le temperature Ms e Mf di seguito definite :

Ms : Martensite Start, temperatura alla quale inizia la formazione di martensite nel corso del raffreddamento

Mf : Martensite Finish, temperatura alla quale ha termine la formazione di martensite nel corso del raffreddamento 

Fig. 1.1 Curva CCT per un acciaio ipoeutettoide

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Acciai : CURVE TTT ( o CURVE ISOTERME o CURVE DI BAIN o CURVE AD S )

Le curve di TTT ( rappresentate in un diagramma T - log t ) descrivono la trasformazione isoterma dell’austenite , in Fig. 1.1  viene riportato un esempio di curva TTT  per un acciaio ipoeutettoide. Un campione di piccole dimensioni viene austenitizzato ed in seguito raffreddato ad una  temperaturainferiore ai punti critici ( A3 ed A1 ), durante il mantenimento a tale temperatura si osserva sperimentalmente il punto di inizio e fine della trasformazione isoterma dell’austenite. In tal modo, ripetendo lo stesso procedimento per diverse temperature, è possibile tracciare le curve TTT per l’acciaio in esame.

Fig.1.1  Curva TTT per un acciaio ipoeutettoide