Esperienze con il 20 bar

T.T.N. S.p.A.Trattamenti Termici Nervianesi

Esperienze con il 20 bar

Dott. M. PirovanoIng. F. Raimondi

Settore Ricerca e Sviluppo Tecnologico


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Introduzione

Il presente lavoro si propone di analizzare brevemente gli aspetti peculiari deltrattamento termico in vuoto da un punto di vista sia impiantistico che metallurgico,per passare successivamente ad una rassegna delle esperienze che la T.T.N. haacquisito in oltre 10 anni di operativit nel settore del vuoto, ponendo in particolarerilievo le problematiche relative al forno DEGUSSA VKSQ (vedi Fig.1) conspegnimento fino a 20 bar in He.

Fig.1


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Generalit

E ben noto quali siano i vantaggi offerti da un trattamento di bonificasottovuoto, ma vale comunque la pena di riassumerli brevemente. Il trattamento invuoto consente di ottenere superfici dei pezzi non ossidate e non decarburate,consente di contenere le deformazioni entro limiti accettabili su particolari di mediedimensioni ed assicura condizioni di lavoro pulite; cosa affatto trascurabile, in vuotosi possono trattare particolari finiti, proprio perch non si ha alterazione visiva dellesuperfici.

Riscaldamento

Il riscaldamento nei forni sottovuoto avviene per irraggiamento; iltrasferimento di calore attraverso questo meccanismo dipende dalla quarta potenzadella temperatura assoluta e quindi risulta avere una modesta efficienza alle bassetemperature; inoltre la radiazione tende ad eccitare maggiormente ed in primo luogogli atomi superficiali del pezzo da riscaldare, con il risultato di avere, al di sotto dei500-600 C un riscaldamento lento e disomogeneo tra cuore e superficie, che sitraduce in un tensionamento del particolare e quindi in un aumento delledeformazioni in fase di riscaldo.


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Fig.2

Per ovviare a tale limitazione dei forni sottovuoto, oggigiorno si fa uso di unmeccanismo di riscaldo misto convettivo-radiante. Il riscaldamento convettivo (vediFig.2) si effettua facendo circolare gas protettivo, tipicamente N2 allinterno delforno ad una pressione di circa 2 bar durante la prima fase del riscaldamento; pertemperature superiori ai 600 C lirraggiamento nettamente prevalente sullaconvezione e quindi il riscaldo convettivo viene arrestato. Con il riscaldamentoconvettivo si hanno fondamentalmente 3 vantaggi:

si accelera il processo di riscaldo; si uniforma la salita di temperatura tra cuore e superficie, minimizzando in tal

modo i tensionamenti nel pezzo; si aumenta la capacit di carico.

Raffreddamento

IL raffreddamento della carica rappresenta la fase pi importante in un fornosottovuoto; da questo fattore dipende infatti la capacit di temprare o meno certi tipidi acciaio. Lo scambio termico tra un gas ad alta velocit e la carica risultaesprimibile con la seguente relazione:

Nu C m n= Re Pr

Nud

=

Re = =wd

;

Pr =


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ove si indicato con:

= coefficiente di scambio termico (formula di Newton: q S T= ) [ ]W m K2d = diametro idraulico = conducibilit termica del gas [ ]W mKw = velocit del flussoa = diffusivit termica = viscosit dinamica = densit del gas a temperatura ambiente = viscosit cinematica

Esplicitando si ottiene (considerando Pr = cost. per un gas):

( ) = C d wdmm1

Quindi aumenta se:

aumenta la velocit del gas aumenta la densit, ovvero la pressione del gas di spegnimento.

Per aumentare il coefficiente di scambio termico (vedi Fig.3) fino araggiungere lintensit di spegnimento desiderata, si possono variare entrambi iparametri discussi, ma in un forno sottovuoto risulta pi conveniente agire sullapressione del gas di spegnimento; parliamo quindi di raffreddamento ad altapressione (vedi Fig.4).


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0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Pv

Fig.3

Fig.4

Ovviamente gioca un ruolo fondamentale il tipo di gas utilizzato. In T.T.N.abbiamo la possibilit di effettuare spegnimenti sia in N2 che in He; osservando lecaratteristiche fisiche dei due gas (vedi Tab.I), si possono vedere chiaramente ivantaggi dellHe rispetto allN2.

Azoto ElioSimbolo Chimico N2 HeDensit (Kg m3 ) 1.170 0.167


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15 C ed 1 barRapporto di densit

rispetto allaria0.967 0.138

Massa molare(Kg K mol )

28.0 4.0026

Capacit termica specificaCp (KJ/Kg K)

1.041 5.1931

Conducibilit termica(W/m K)

0.0254 0.15

Viscosit dinamica(N s m 2 )

0.00001774 0.00001968

(Condizioni dei Gas a 25 C ed 1 bar)

Tab.I

In molti casi si utilizza N2 con pressioni di spegnimento di 10 bar, ma peralcuni tipi di acciai diventa necessario aumentare la pressione del gas per raggiungereuna velocit di raffreddamento che consenta di effettuarne la tempra. Pressionidellordine di 15-20 bar si possono ottenere solo cambiando gas ed utilizzando adesempio He (o anche H2), poich la maggior pesantezza molecolare dellN2richiederebbe una potenza del motore di agitazione enormemente pi elevata, a causadellaumento delle perdite di carico, e sicuramente antieconomica.

In Fig.5 sono riportati il coefficiente di scambio termico e la potenza W delmotore della girante (ref.1); si vede chiaramente che, avendo posto pari ad uno sia che W per lN2 a 6 bar, un aumento di del 40% ottenuto con He alla medesimapressione, ma parallelamente si ha una riduzione di W a solo il 10% del valoreprecedente; aumentando la pressione dellN2 fino a 10 bar aumenta del 35%mentre W aumenta del 140%. Utilizzando He a 20 bar invece, viene incrementatodel 300%, mentre richiesta una potenza del motore W pari a solo il 50% di quellarichiesta dallN2 a 6 bar.


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Fig.5

Risulta quindi che in molti casi lo spegnimento con He a 20 bar sostitutivo diquello in olio, avendo una drasticit di tempra molto simile ma con tutti i vantaggi deltrattamento in vuoto, che gi abbiamo discusso. E possibile quindi raggiungere unadrasticit di spegnimento tale da garantire valori di durezza e strutture desiderate e alcontempo modulare la velocit di raffreddamento per minimizzare le deformazionidei pezzi trattati.

Velocit di raffreddamento e metallurgia

Dallacciaio con cui vengono costruiti componenti meccanici di vario genere,si pretendono le massime prestazioni dal punto di vista della resistenza a trazione,resistenza a fatica e ad usura, tutte propriet direttamente correlate con unelevatadurezza; daltra parte deve essere garantito un minimo di tenacit alla frattura. Lamassima durezza che si pu ottenere in un qualunque acciaio associata ad unamicrostruttura completamente martensitica, per ottenere la quale lacciaio deve essereassoggettato al trattamento termico di tempra.

W

Alfa


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Dal diagramma di stato Fe-C (vedi Fig.6) le strutture che si possono avere incondizioni di equilibrio sono date da: austenite pura al di sopra di determinatetemperature (A3 per acciai ipoeutettoidici, Acm per acciai ipereutettoidici), oppure dauna miscela di Ferrite+Cementite, in proporzioni variabili e con morfologia diversa aseconda della percentuale di C; che si presenta al di sotto di A1 a seguito delraffreddamento della austenite, e che prende il nome rispettivamente di Perlite(ferrite+cementite a lamelle alternate con 0.8% di C = composizione eutettica);Ferrite+Perlite (%C < 0.8); Perlite+Cementite (%C > 0.8).

Il diagramma riporta le strutture che si otterrebbero se si eseguisse unraffreddamento molto lento (quasi-stazionario) dellaustenite, ovvero unraffreddamento in cui il sistema si trovi ad ogni istante in una condizione diequilibrio, cosa ovviamente impossibile nella realt dei fatti. Allaumento dellavelocit di raffreddamento corrisponde un affinamento delle strutture ottenute, conconseguente aumento della durezza. Questo comportamento spiegabile a livellomicroscopico come un aumento degli ostacoli, costituiti principalmente da bordigrano, che si oppongono al moto delle dislocazioni con conseguente riduzione delcampo plastico del materiale.

La trasformazione dellaustenite nelle strutture sopra elencate regolata daprocessi di diffusione allo stato solido e procede con un meccanismo di nucleazione ecrescita delle nuove strutture a spese dellaustenite; aumentando la velocit diraffreddamento si passa rispettivamente da perlite a bainite superiore a bainiteinferiore, fino ad arrivare ad una velocit critica al di sopra della quale la diffusione congelata e la struttura che si forma, che ha la stessa percentuale di C dellausteniteda cui proviene, prende il nome di martensite e risulta essere la pi dura strutturaottenibile in un acciaio. Il tipo, la quantit relativa e le dimensioni pi o meno finidei vari costituenti strutturali che si possono ottenere dallaustenite, dipendono quindiin modo fondamentale dalla velocit di raffreddamento; quindi spiegato il motivoper cui in questo lavoro abbiamo posto cos grande enfasi su tale variabile.


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Fig.6

Per un qualunque particolare in acciaio, avente certe forme e dimensioni, lapossibilit di ottenere la richiesta distribuzione dei costituenti strutturali procedendodalla superficie verso il cuore, dipende sostanzialmente dalla possibilit di realizzarenei vari punti la necessaria velocit di raffreddamento, scegliendo in modo opportunoil mezzo di spegnimento. Ovviamente un altro parametro di cui tener conto lacomposizione chimica dellacciaio, che determina il posizionamento delle curveCCT; gli acciai con alto contenuto di elementi di lega hanno generalmente le curvespostate verso tempi lunghi e quindi sono ben temprabili, cio si possono temprareanche con velocit di raffreddamento relativamente modeste; acciai bassolegati oacciai con alto contenuto di C (> 0.85%) al contrario sono poco temprabili, avendocurve CCT spostate verso tempi brevi, e quindi richiedono velocit diraffreddamento molto elevate.

La cosa che comunque ci preme maggiormente mettere in evidenza chementre esiste un legame preciso tra microstruttura e velocit di raffreddamento (nelseguito v.r.), nel senso che una certa microstruttura ottenibile se e solo se siraggiunge una certa v.r., non altrettanto vale per il legame durezza-v.r., nel senso che


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dalla v.r. si pu ricavare la durezza che si otterr (conoscendo la microstrutturaottenuta), mentre dalla durezza non si pu risalire alla v.r. e quindi al tipo dimicrostruttura. Quindi la richiesta comunemente fatta di ottenere una certa durezzadopo trattamento termico risulta quantomeno incompleta (come vedremo nel seguito),specialmente per particolari importanti quali ad esempio gli stampi per pressofusione;il semplice valore di durezza non pu essere un parametro in base al quale prevederela vita in esercizio che avr uno stampo, poich tale valore pu essere associata a unavasta gamma di microstrutture differenti che possiedono propriet meccaniche (es.tenacit) estremamente diverse e sicuramente influenzano ben pi della durezza ilcomportamento in esercizio del pezzo.

Per questo motivo in T.T.N. stiamo avviandoci a controllare non pi (operlomeno non solo) le durezze ottenute su un particolare dopo trattamento, ma adanalizzare le curve di raffreddamento, ritenendo che queste siano il parametro piimportante per poter garantire al cliente la bont del trattamento eseguito.

Nel seguito analizzeremo in dettaglio gli acciai trattati comunemente nel forno20 bar installato in T.T.N., riportando poi le esperienze pi significative che megliocaratterizzano tale forno.

Acciai tipicamente trattati nel 20 bar


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Acciaio UNI X 37 CrMoV 51 KU (H11)

La composizione chimica media di questo acciaio data da:

Elementi C Si Mn Cr Mo V% 0.38 1.0 0.4 5.0 1.2 0.4

In T.T.N. trattiamo una gran quantit di particolari realizzati con questo tipo diacciaio, ma nel presente lavoro faremo riferimento in modo specifico alleproblematiche inerenti il trattamento degli stampi utilizzati nel settore dellapressofusione, per i quali le richieste sono molto pretenziose e non sempre facili dasoddisfare al meglio.

Per uno stampo da pressofusione la caratteristica pi importante evidentemente la tenacit pi che la durezza, poich una buona tenacit permette diavere sia una buona resistenza agli shock termici cui inevitabilmente sottoposto ilparticolare, sia una buona resistenza alle sollecitazioni meccaniche quali urti epressioni in fase di chiusura.

Da molti studi condotti in questo settore risulta che la tenacit, a differenzadella durezza, dipende in modo sostanziale dalla struttura, e quindi dalla velocit diraffreddamento (vedi Fig.7); la precipitazione di carburi in una matrice di bainitesuperiore, dovuto ad una scarsa velocit di raffreddamento, si traduce in un bassovalore di duttilit e di tenacit alla frattura; al contrario una velocit diraffreddamento adeguata d luogo ad una limitata precipitazione in una matricemartensitica o di bainite inferiore, con conseguente ottenimento di buoni valori diduttilit e tenacit alla frattura.

E peraltro evidente che quando si trattano particolari di dimensioniconsiderevoli risulta virtualmente impossibile evitare completamente la formazione diprodotti non martensitici a cuore o la precipitazione di carburi secondari a bordograno, a meno di raggiungere drasticit di tempra estremamente elevati, quali quelliottenibili con lolio, con il conseguente insorgere di nuovi problemi, il pi grave deiquali sicuramente quello delle deformazioni.


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Fig.7

sottovuoto

Fig.8

A=tempra in olioB=tempra in aria calmaC=tempra in bagno di saleD=tempra in gas a bassapressioneE=tempra con tasso diraffreddamento molto lento


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Qualitativamente si pu dire che aumentando la drasticit di tempra aumenta ladisuniformit di raffreddamento tra superficie e cuore, e di conseguenza da un latoaumentano in modo marcato le deformazioni, dallaltro si ha un comportamentomeccanico ben diverso tra centro e superficie, a causa di valori molto diversi diresilienza che si ottengono (vedi Fig.8; rif.2).

Le corrette condizioni di tempra sono quelle che rendono massimo il valore diresilienza e minima la caduta di tale grandezza tra superficie e cuore di una sezioneresistente. In T.T.N. abbiamo verificato che uno spegnimento in N2 a 10 bar sicolloca pi o meno ad un livello intermedio di drasticit, sufficiente comunque adottenere strutture adeguate ai valori di tenacit che si reputano necessari per unabuona durata dello stampo; al contempo la disomogeneit di raffreddamentocuore/superficie tale da limitare notevolmente le deformazioni che inevitabilmentesi hanno dopo trattamento.

Nelle schede che presenteremo in seguito vengono mostrati alcuni esempi diparticolari in H11 trattati nel nostro forno DEGUSSA VKSQ, e viene indicata lanormale procedura cui vengono sottoposte le cariche in T.T.N. nel reparto sottovuoto.


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Acciaio UNI 88 MnV 8 KU (K720)

La composizione media di tale acciaio data da:

Elementi C Mn Cr V% 0.9 2.0 0.4 0.1

Acciaio indeformabile caratterizzato da elevata resistenza ad usura e capacit ditaglio, utilizzato per la costruzione di utensili o attrezzature di forma complicatadove necessario ridurre al minimo le deformazioni di tempra. Dalla Fig.9 si deduceuna buona temprabilit del materiale per pezzi di dimensioni medio/piccole.

Fig.9

La temperatura di austenitizzazione varia tipicamente tra i 970 e gli 820 C, e sitende a non superare tale valore poich questo acciaio molto sensibile al surriscaldoe se si superasse di molto tale temperatura, o i tempi di permanenza fossero troppoelevati, si produrrebbe un eccessivo ingrossamento del grano austenitico, ottenendodopo spegnimento una struttura tipicamente di martensite grossolana + austenite.


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Per questo acciaio viene comunemente consigliato uno spegnimento in olio(pi raramente in bagno di sale) ottenendo una durezza dopo tempra di 64 HRC construttura costituita da martensite + carburi dispersi (vedi Fig.10).

In T.T.N. ormai da parecchio tempo tempriamo questo acciaio in fornisottovuoto con spegnimento in He a 20 bar. In tal modo riusciamo a raggiungere unadrasticit di tempra che ci consente di ottenere una struttura analoga a quellaottenibile con lo spegnimento in olio, con in pi i vantaggi di superficie che si hannocon il trattamento in vuoto, che abbiamo gi analizzato precedentemente.

Fig.10

Fig.11

t (min.)

Temp in C

Materiale 1.2842 (K720)Provini diametro 100 mm


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Non sarebbe possibile temprare questo tipo di acciaio con spegnimenti apressione inferiore ad esempio con N2 a 10 bar, poich la velocit di raffreddamentorisulta essere molto lenta (vedi Fig.11); di conseguenza la drasticit di tempra sarebbeinsufficiente e si otterrebbe una struttura assolutamente inadeguata, con moltaaustenite non trasformata e quindi con una durezza insufficiente per un adeguatoutilizzo dellacciaio.


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Bibliografia

1) P. Heilman, The vacuum heat treatment with convective heating and high-pressure gas quenching, ALD vacuum technologies technical information.

2) L. Genero, A. Bennani, A. Vandelli, Influenza della velocit di tempra sullecaratteristiche dellacciaio AISI H11, Cogne Acciai Speciali.

3) G. Coccia Lecis, Materiali Metallici, Edizioni CUSL, Politecnico di Milano.

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