Deformazioni e tenacità degli acciai Per stampi

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MASSIMA TENACITA

T.T.N. S.p.A. Dipartimento di Tempra in Bagno di Sale e Sottovuoto

Via 1 Maggio, 30 - 20014 NERVIANO (MI) Tel. 0331/463.706 - Fax. 0331/415642 - e-mail: [email protected]

MINIME DEFORMAZIONI

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QUALE LA SOLUZIONE DI TRATTAMENTO PER I VS. STAMPI?!

INTRODUZIONE

Con il trattamento termico si conferisce allacciaio la struttura con la quale verr messo in esercizio. Nella messa a punto di un ciclo di trattamento termico, tuttavia, lattenzione non rivolta esclusivamente allottenimento di determinate trasformazioni microstrutturali, in quanto non si pu prescindere da tutti quegli aspetti collaterali che accompagnano lesecuzione del trattamento stesso, quali ad esempio variazioni non uniformi di temperatura e di volume che si traducono in tensioni interne, distorsioni, che devono essere tenute sotto controllo per non compromettere lulteriore utilizzo dello stampo. In questo lavoro parleremo segnatamente di come sia possibile ottenere un ottimo compromesso tra propriet meccaniche - RESILIENZA - e variazioni dimensionali e di forma - DEFORMAZIONI -.

VELOCITA DI RAFFREDDAMENTO E MICROSTRUTTURA

Dallacciaio con cui vengono costruiti componenti meccanici di vario genere, si pretendono le massime prestazioni dal punto di vista della resistenza a trazione e ad usura, tutte propriet direttamente correlate con unelevata durezza; daltra parte deve essere garantita una buona tenacit alla frattura per fare in modo che lo stampo sia resistente ai fenomeni di pirocriccatura e di fatica termica. La massima durezza che si pu ottenere in un qualunque acciaio associata ad una microstruttura completamente martensitica, per ottenere la quale lacciaio deve essere assoggettato al trattamento termico di tempra. I successivi rinvenimenti cui viene sottoposto il particolare trattato, hanno il duplice compito sia di diminuire il valore di durezza ottenuta dopo la tempra mediante un processo di trasformazione strutturale della martensite, sia di completare il processo di trasformazione dellaustenite residua, inevitabilmente presente nei materiali per la lavorazione a caldo a causa del loro elevato tenore di elementi di lega quali molibdeno e vanadio che tendono a stabilizzare laustenite rallentando il processo di trasformazione martensitico. Una completa trasformazione dellaustenite residua di fondamentale importanza sia per quel che riguarda le deformazioni cui soggetto un particolare dopo trattamento termico, sia per la tenacit del materiale, che risulta seriamente compromessa allorch i valori di austenite residua risultano consistenti. Per un qualunque particolare in acciaio, avente certe forme e dimensioni, la possibilit di ottenere la

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richiesta distribuzione dei costituenti strutturali procedendo dalla superficie verso il cuore, dipende sostanzialmente dalla possibilit di realizzare nei vari punti la necessaria velocit di raffreddamento, scegliendo in modo opportuno il mezzo di spegnimento. Ovviamente un altro parametro di cui tener conto la composizione chimica dellacciaio, che determina il posizionamento delle curve CCT; gli acciai per la lavorazione a caldo, con alto contenuto di elementi di lega, hanno generalmente le curve spostate verso tempi lunghi (cfr. fig.1) e quindi sono virtualmente ben temprabili, cio si possono temprare anche con velocit di raffreddamento relativamente modeste. Ci che si differenzia tra una tempra condotta con velocit di raffreddamento bassa e velocit di raffreddamento elevata la microstruttura, che, come vedremo, la responsabile diretta del comportamento in esercizio degli stampi. La cosa che ci preme maggiormente mettere in evidenza che mentre esiste un legame preciso tra microstruttura e velocit di raffreddamento (nel seguito v.r.), nel senso che una certa microstruttura ottenibile se e solo se si raggiunge una certa v.r., non altrettanto vale per il legame durezza-v.r., nel senso che dalla v.r. si pu ricavare la durezza che si otterr (conoscendo la microstruttura ottenuta), mentre dalla durezza non si pu risalire alla v.r. e quindi al tipo di microstruttura.

fig.1

Curve CCT per un acciaio UNI X37CrMoV 5 1 KU (1.2343) Quindi la richiesta comunemente fatta di ottenere una certa durezza dopo trattamento termico risulta quantomeno incompleta (come vedremo nel seguito), specialmente per particolari importanti quali ad esempio gli stampi


R A F F R E D D . V E L O C E e d UNIFORME: O T T I M A S T R U T T U R A -

RAFFREDD. LENTO E NON-UNIFORME STRUTTURA MISTA BASSA RESISTENZA A DANNEGGIAMENTO

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per pressofusione; il semplice valore di durezza non pu essere un parametro in base al quale prevedere la vita in esercizio che avr uno stampo, poich tale valore pu essere associata a una vasta gamma di microstrutture differenti che possiedono propriet meccaniche (es. tenacit, limite elastico ecc.) estremamente diverse e sicuramente influenzano ben pi della durezza il comportamento in esercizio del pezzo.

PERCHE E FONDAMENTALE MISURARE LA RESILIENZA!!

Come abbiamo detto, lottenimento di una microstruttura adeguata fondamentale sia per allungare la vita dello stampo sia per poter realizzare con successo eventuali trattamenti superficiali quali la nitrurazione ionica ed il rivestimento PVD. Per ottenere una microstruttura adeguata dobbiamo partire da un acciaio omogeneo, uniforme in tutte le direzioni possibili da cui ricaveremo la figura dello stampo. In fig.2 e fig. 3 sono dati rispettivamente casi a buona e pessima situazione di partenza. questo non leccezione bens capita spesso di trovarsi di fronte a stampi che in partenza presentano gi strutture totalmente compromesso per lesercizio finale!! Cobntrollare lacciaio quindi il primo ed imprescindibile passo per buone prestazioni!!!

fig.2 BUONA Struttura allo stato

ricotto: carburi su matrice ferritica

fig.3 PESSIMA struttura allo stato

ricotto: forte bande di segregazione, scar Bainite


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Si passa poi allanalisi di una microstruttura dopo tempra dove di martensite fine con tracce di bainite inferiore e carburi finemente interdispersi nella matrice (cfr. fig.2), mentre una struttura inadeguata composta da martensite grossolana con marcata presenza di bainite superiore e talvolta anche di perlite e con carburi precipitati a bordo grano (cfr. fig.3).

Basta lanalisi anche di un occhio poco esperto per comprendere i motivi per cui la prima microstruttura migliore della seconda basta analizzare la morfologia della bainite inferiore confrontata con quella della bainite superiore. Con una tempra condotta con spegnimento in gas ad alta pressione risulta virtualmente possibile arrivare a velocit di raffreddamento tali da ottenere strutture adeguate, ma questo va a scontrarsi con un grosso limite del raffreddamento in gas: la disomogeneit del raffreddamento. Vari studi hanno dimostrato che, a parit di pressione impiegata nel raffreddamento, la velocit di tempra risulta diversa a seconda della composizione della carica e quindi, per il legame visto precedentemente, si otterranno strutture metallurgiche differenti per cariche differenti, essendo la pressione un parametro non determinante in modo completo sulla velocit di raffreddamento. Inoltre, proprio a causa della disuniformit del raffreddamento, possibile che un pezzo di grosse dimensioni subisca un raffreddamento pi spinto in certe zone che in altre; questo si traduce in variazioni di forma che possono risultare anche consistenti e quindi in marcate deformazioni. Per ridurre la deformazione si pu,come viene usualmente fatto, ridurre la pressione di spegnimento, con il conseguente risultato di avere strutture metallurgiche inadeguate che si traducono in una scarsa resa dello stampo in esercizio per il prematuro emergere di pirocriccature e cricche originate dagli shock termici cui lo stampo soggetto nel normale esercizio. Ben diverso risulta essere il discorso per quanto riguarda una tempra in bagno di sale. Nel raffreddamento in bagno di sale, la carica viene immersa in vasche che in T.T.N. hanno un rapporto di volume 1:10, che garantiscono quindi unomogeneit di raffreddamento totale. Questo fatto si traduce in pratica in un contenimento delle deformazioni ma soprattutto, grazie allelevato coefficente di scambio termico dei sali fusi, in una velocit di raffreddamento decisamente superiore a quella ottenibile, a parit di deformazioni, con lo spegnimento in gas. La possibilit offerta dagli impianti T.T.N. (cfr. fig.4) di raffreddare anche pezzi di grosse dimensioni (fino a 1000X1000X1500 mm - max. 2300 Kg.) in due diversi bagni di sali fusi (il primo a 500C ed il secondo a 200C) permette di unire la velocit e luniformit di raffreddamento al salto termico controllato con il risultato di ottenere una velocit di raffreddamento succientemente veloce da dare la desiderata struttura di tempra, ma non tanto alta da determinare distorsioni del pezzo.


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Transitando nel sale ad alta temperatura si sfrutta la finestra bainitica possieduta dagli acciai per lavorazione a caldo (cfr. fig.1) ed in tal modo, senza che avvenga alcuna trasformazione strutturale, si uniforma la differenza di temperatura tra il cuore e la superficie, cosa fondamentale, come vedremo, per il contenimento della deformazione, mentre nel passaggio dal sale a 500C a quello a 200C si attraversa il punto di inizio di trasformazione martensitica con una velocit sufficientemente elevata da evitare il naso bainitico o al pi da lambirlo nella parte inferiore (cfr. fig.5), con formazione in tal modo di bainite inferiore e martensite e quindi con lottenimento di una struttura adeguata dal punto di vista delle propriet meccaniche, prima fra tutte la resilienza.

In T.T.N. abbiamo realizzato un gran numero di prove posizionando dei provini standard di resilienza senza intaglio, con dimensioni 10X10X55 mm, in fori di raffreddamento di grosse matrici per pressofusione, spingendoli ad una profondit tale da simulare il comportamento del cuore dello stampo ed abbiamo poi raffreddato le matrici nei bagni di sale fusi (ciclo1). Parallelamente dei provini analoghi sono stati posizionati in simulacri di stampi con dimensioni simili a quelli raffreddati in bagno di sale e sono invece stati raffreddati in gas ad una pressione di 6 bar (ciclo2). Tali provini, dopo essere stati rettificati sono stati oggetto di prove di resilienza condotte presso lUniversit di Trento con un pendolo Charpy 300 J strumentato che ha messo in luce il comportamento sostanzialmente diverso dei pezzi raffreddati in gas rispetto a quelli raffreddati in bagno di sale.

fig.4


T.T.N. S.p.a.: Linea di tempra sottovuoto con spegnimento bagni di sale ad alta-bassa temperatura, 1.- carico - scarico robotizzati, 2.- assenza di decarburazione in superficie, 3.- ottima resilienza, 4.- deformazioni contenute.

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Nelle figg.6-7 sono riportate le registrazioni delle curve di impatto per i materiali rinvenuti. Si pu notare come per il ciclo 1 il comportamento del campione sia tipicamente duttile, tant che il provino risulta essersi deformato plasticamente assorbendo tutta lenegia del pendolo senza rompersi (cfr. fig. 8), mentre per il ciclo 2 il comportamento a frattura per impatto sia tipicamente fragile, dato che la frattura sopravviene senza che sia stato raggiunto lo snervamento generalizzato e senza che il provino si sia deformato plasticamente prima della rottura (cfr.fig.9). I dati riepilogativi in Tab.1 mostrano anche che il materiale trattato con il ciclo 1 assorbe pi energia ad impatto del materiale trattato con il ciclo 2. Per interpretare questo comportamento necessario fare riferimento ai micromeccanismi di frattura e quindi alle diverse caratteristiche microstrutturali dei materiali. Dal punto di vista dei micromeccanismi di frattura, levento critico la propagazione dinamica della microcricca originata dalla rottura di un carburo; la frattura si ha quando lo sforzo principale massimo nella zona plastica supera lo sforzo critico di clivaggio che dipende dalle dimensioni delle microcricche. Il materiale temprato con il ciclo 2 ha una microstruttura pi grossolana di quello ottenuto con il ciclo 1 e quindi il relativo sforzo critico di clivaggio minore e pu essere raggiunto per valori pi bassi del carico applicato. In conclusione possiamo dire che il materiale temprato sottovuoto, presentando una struttura bainitico superiore-martensitica con carburi grossolani risulta molto pi fragile del materiale temprato in bagno di sale, che presenta invece una struttura martensitica con carburi fini e omogeneamente interdispersi nella matrice; questa differenza dei valori di

fig.5 Curve di raffreddamento di un particolare in 1.2343 in bagno di sale a doppio

stadio con termocoppie a cuore e in superficie del pezzo

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 , 0 0 E + 0 0 1 , 0 0 E + 0 1 1 , 0 0 E + 0 2 1 , 0 0 E + 0 3 1 , 0 0 E + 0 4 1 , 0 0 E + 0 5 1 , 0 0 E + 0 6T e m p o ( s )

Tem

pera

tura

(C

)

SUPERFICIE

CUORE

BAGNO DI SALE A 220C

BAGNO DI SALE A 520C


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fig.6 Registrazione forza-deformazione di n3 provini temprati sottovuoto con raffreddamento in bagno di sale (ciclo 1); si evidenzia come i tre campioni abbiano assorbito completamente lenegia di 300 J del pendolo senza rompersi, mostrando unelevata tenacit.

fig.7 Registrazione forza-deformazione di n3 provini temprati sottovuoto con raffreddamento in gas a 6 bar (ciclo 2); si evidenzia come i tre provini si siano rotti di schianto per valori di energia piuttosto bassi, mostrando uno scarso valore di tenacit.

ciclo1 camp.1

ciclo1 camp.2

ciclo1 camp.3

ciclo2 camp.1

ciclo2 camp.2

ciclo2 camp.3

Energia (J)

>300 >300 >300 65.9 93.8 74.15

Tab.1

CA

RIC

O (K

N)

CA

RIC

O (K

N)

DEFLESSIONE (mm)

DEFLESSIONE (mm)


OTTIMA RESILIENZA 300 JOULE OTTIMA TENACITA

BASSA RESILIENZA 70 JOULE PESSIMA TENACITA

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tenacit si traduce poi al lato pratico in una marcata differenza nel comportamento in esercizio dello stampo, per cui per valori di tenacit ridotta si assister inevitabilmente alla prematura comparsa di cricche da fatica termica e di sfogliature superficiali che riducono drasticamente la vita dello stampo stesso.

fig.8 Provino di resilienza non rotto

Ottima tenacit

fig.9 Provino di resilienza rotto

Scarsa tenacit


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COME CONTENERE LE DEFORMAZIONI SENZA SACRIFICI?

Per deformazione si intende la variazione delle dimensioni e della geometria di un pezzo dovute a trattamento termico. La variazione delle dimensioni si riferisce unicamente alla variazione delle misure senza variazione della geometria, tuttavia variazioni geometriche e dimensionali si presentano sempre accoppiate. Le variazioni geometriche sono principalmente dovute alle tensioni termiche che si ingenerano allinterno del materiale a causa di una distribuzione disomogenea di temperatura tra il cuore e la superficie dello stampo, mentre le variazioni di volume sono principalmente dovute alla trasformazioni strutturali che avvengono nel materiale proprio grazie al trattamento termico. Le deformazioni di uno stampo, come abbiamo detto, sono causate principalmente dalle tensioni termiche che si generano nel materiale a causa della differenza di temperatura tra il cuore e la superficie del pezzo. E ben noto che una differenza di temperatura T tra cuore e superficie di uno stampo produce degli sforzi meccanici () che risultano proporzionali al T stesso.

Ogni materiale assoggettato a carichi esterni subisce delle deformazioni elasto-plastiche () allorch localmente lo sforzo supera il valore del limite di snervamento (sn), anchesso dipendente dalla temperatura. Poich la deformazione risulta a sua volta proporzionale allo sforzo applicato, ecco che risulter proporzionale al T che si produce nel materiale.

Ne consegue che quanto pi ridotta la differenza di temperatura tra il cuore e la superficie di uno stampo, tanto minore sar la deformazione che si produce. Dallesame delle curve di figg.10-11 si vede chiaramente come lo spegnimento sottovuoto generi una differenza di temperatura tra cuore e superficie ben superiore a quella che si ha con lo spegnimento in sale a due stadi, il che si traduce in una deformzaione sicuramente pi marcata.

Unaltra importante differenza tra i due tipi di spegnimento si ha dal punto di


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B A IN IT E

C A R B U R I

C U O R E

S U P E R F IC IE

M A R T E N S IT E

T

T

P E R L IT E

T E M P O (m in)

TEM

PER

ATU

RA

(C

) SF

OR

ZO (

)

sn

DEFORMAZIONE

B A IN IT E

C A R B U R I

C U O R E

S U P E R F IC IE

M A R T E N S IT E

T

P E R L IT E

T E M P O (m in )

TEM

PER

ATU

RA

(C

) SF

OR

ZO (

)

sn

fig.10 Raffreddamento in bagno di sale a doppio stadio

fig.11 Raffreddamento in gas ad alta pressione (6bar)

DEFORMAZIONE


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vista della ripetibilit dello spegnimento. Come risulta ben intuibile, quando si realizza un raffreddamento con gas ad alta pressione, la velocit con cui il flusso di gas lambisce un pezzo dipende dalla strutturazione della carica posta allinterno del forno; pezzi pi vicini agli ugelli di uscita del gas si raffredderanno pi rapidamente di pezzi posizionati centralmente sul cestello di carica, i quali molto spesso risultano parzialmente schermati dai pezzi limitrofi. Ne consegue che al variare della composizione della carica e della posizione dei pezzi in forno si otterranno delle velocit di raffreddamento differenti ed anche su uno stesso particolare, se di grosse dimensioni, si avranno delle disuniformit di temperatura considerevoli. Questo produce dei T non solo tra cuore e superficie ma anche tra zone attigue dello stesso particolare e quindi, per quanto visto prima, delle distorsioni inevitabili ed imprevedibili (cfr. fig.12). Al contrario quando una carica, comunque composta, viene immersa in un bagno di sale con un volume pi di 10 volte superiore al volume massimo della carica, tutti i particolari vengono lambiti allo stesso modo dal sale fuso e la superficie di pezzi di grosse dimensioni si trova ad essere termostatata in modo assolutamente uniforme, senza che si producano T tra zone differenti sulla superficie e quindi senza che si producano distorsioni indesiderate (cfr. allegati n 1-2-3). Altro fatto molto importante che, qualunque sia la disposizione dei pezzi sul cestello di carica, tutti vengono termalizzati nello stesso identico modo. Ne risulta che non solo le deformazioni saranno certamente contenute (cfr. fig.13), ma soprattutto saranno ripetitive, ovverosia se una tipologia di particolari si deforma in un certo modo dopo un raffreddamento in sale, ci si aspetta che si deformer sempre nello stesso modo. Lestrema riproducibilit dei risultati che si ha con lo spegnimento in bagno di sale consente, dopo aver accumulato un bagaglio di esperienza frutto dellosservazione di centinaia di casi, di acquisire una certa capacit previsionale sul comportamento di un certo tipo di particolari relativamente alle deformazioni da trattamento termico e nel poter quindi dare delle utili indicazioni ai costruttori di stampi su quali sovrammetalli lasciare.


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fig.12 Il raffreddamento in bagno di sale consente di contenere le

deformazioni anche su stampi di grosse dimensioni

fig.13 Il raffreddamento in gas ad alta pressione (6 bar) non permette di contenere le deformazioni al di sotto di limiti accettabili su stampi di grosse dimensioni.


Deformazioni e tenacità degli acciai Per stampi

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