Proprietà meccaniche di acciai cementati aventi microstrutture alternative

La cementazione è uno dei trattamenti termici più utilizzati in componenti soggetti ad elevati carichi come alberi e ingranaggi. Questo articolo mostra i risultati di uno studio delle proprietà meccaniche – profilo di durezza, sforzi residui, livello di austenite residua e resistenza a flessione – di acciai cementati e sabbiati aventi differenti microstrutture alternative.

Acciai cementati e sabbiati: il progetto FVA 513 III

La maggior parte delle applicazioni e dei componenti per la trasmissione della potenza vengono cementati per innalzarne la capacità di carico. I metodi di cementazione più comuni sono la cementazione gassosa e a bassa pressione in combinazione con tempra in olio o in aria. Il trattamento termico porta a una microstruttura caratteristica con un layer superficiale che migliora la capacità di carico del dente. Negli anni passati, gli sviluppi tecnologici nell’ambito della cementazione si sono concentrati su un’ottimizzazione della struttura martensitica del layer superficiale. Sebbene il processo sia stato continuamente migliorato e se ne abbia un controllo più preciso, il miglioramento delle proprietà meccaniche non risulta allegato a un cambiamento significativo del processo di cementazione.

Negli ultimi anni il focus principale dei trattamenti termici di componenti sottoposti a elevati carichi è stato indirizzato principalmente alla capacità di riprodurre fedelmente un profilo di durezza desiderato. In tal senso si faccia riferimento alla normativa ISO 6336-5 [11].
Le tolleranze ormai strettissime relative alla composizione del layer superficiale indicano come lo sviluppo del processo di cementazione non abbia più grandi margini di miglioramento. Lo sviluppo e il testing di microstrutture alternative ha invece un potenziale nell’aumento della capacità di carico. Questa è la motivazione che ha spinto gli autori a studiare le possibili alternative applicabili nel settore ingranaggistico.

In altri ambiti, come ad esempio nel trattamento dei cuscinetti volventi, sono stati fatti significativi progressi. Si è arrivati ad esempio all’utilizzo di microstrutture contenenti bainite, martensite ed austenite residua [8] o strutture bainitico-martensitiche (SuperBainite) [3] aventi proprietà considerevolmente migliori.

La maggior parte dei nuovi approcci ha portato ad un miglioramento della microstruttura. Questo è fondamentale per poter elevare ulteriormente le proprietà meccaniche dei componenti. In accordo allo stato dell’arte, i componenti della struttura del layer cementato devono essere principalmente martensite e austenite residua a grana fine. Questa assunzione non è più un dogma. Test preliminari nell’ambito FVA 513 [4] hanno mostrato come un mix di microstrutture nei layer indurito tra cui austenite residua fino al 60% portino ad un innalzamento della capacità di carico.

L’applicazione della carbonitrurazione come trattamento termico alternativo alla cementazione ha mostrato come la stabilità dell’austenite residua sia di centrale importanza e come lo stato di stabilizzazione sia decisivo per la determinazione della microstruttura e, quindi, delle proprietà meccaniche. È importante notare come, specialmente per strutture aventi una quota bilanciata di martensite e sufficienti austenite stabilizzata, bainite e austenite residua ci siano buoni potenziali di sviluppo.

Questo è il punto di partenza del progetto FVA 513 III [19] che si è concentrato sullo studio del vuoto individuato in letteratura e riportato da alcune aziende alla ricerca di nuove tipologie di struttura. Lo scopo era quello di identificare quanto differenti strutture possano portare ad un miglioramento delle proprietà. Questo è stato fatto attraverso tentativi e con test sperimentali sistematici su provini standard e su ruote dentate. I risultati più promettenti relativi ad acciai cementati e sabbiati applicati a ingranaggi sono riportati nel seguito.

 

 

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