L’evolversi delle esigenze per le componenti meccaniche in settori quali l’energetico, l’aerospaziale e il medicale porta allo studio e alla messa a punto di materiali sempre più prestazionali. La spinta data dalla scienza e dalla tecnologia ha permesso un progresso.
Il variegato mondo dei materiali segue le necessità dettate dal mercato, sviluppando nuove leghe in grado di soddisfare l’evolversi delle esigenze. Ogni materiale industriale ha caratteristiche specifiche, determinate dagli elementi in lega e dagli eventuali trattamenti termici, che andranno ad influenzare in maniera decisiva il processo produttivo. Se il processo è una lavorazione meccanica per asportazione di truciolo, le caratteristiche del materiale, unitamente alla tipologia di lavorazione, avranno un’influenza diretta sugli utensili e sui parametri tecnologici. I vari materiali sono classificati secondo le normative nazionali e/o internazionali, e, in conformità con lo standard ISO, sono stati suddivisi in macro gruppi, ognuno con caratteristiche specifiche in termini di lavorabilità. Fra questi la famiglia ISO S si riferisce alle superleghe resistenti al calore, comprendendo una grande varietà di materiali fortemente legati a base di ferro, nichel, cobalto e titanio. Se le loro proprietà li rendono molto interessanti per specifiche applicazioni, per contro mostrano una spiccata tendenza all’incollamento, formano facilmente tagliente di riporto, durante la lavorazione si incrudiscono e generano calore. A ben ragione sono definiti di difficile lavorabilità.
ISO-S e gli HRSA
L’evolversi delle esigenze porta dunque allo studio e messa punto di materiali sempre più prestazionali. Dal settore medicale, a quello della produzione di energia, senza tralasciare lo storico aerospaziale, promotore di molte innovazioni, la spinta data dalla scienza dei materiali e dalla tecnologia meccanica ha permesso un progresso continuo. Elementi caratterizzanti di questi settori sono resistenza al calore e all’usura, tenacità anche estrema, ma anche qualità e affidabilità, e, inutile dirlo, la precisione, che è un requisito fondamentale.
Di quali materiali si sta parlando? Delle leghe ISO-S, cioè le superleghe resistenti, note come HRSA, e le leghe di titanio.
Le superleghe presentano caratteristiche che, in vari modi, attraggono e soddisfano il progettista, ma possono presentare delle criticità in lavorazione.
Le HRSA sono realizzate con meccanismi di indurimento della matrice o per precipitazione, e possono essere ricondotte principalmente a tre macro-famiglie, in funzione dell’elemento con tenore più elevato:
• superleghe base nichel;
• superleghe base ferro;
• superleghe base cobalto.
Generalmente, le leghe a base nichel vengono impiegate alle temperature più alte, seguite quelle a base cobalto e da quelle a base ferro.Le proprietà fisiche e il comportamento nella lavorazione delle diverse leghe varia considerevolmente, sia a causa della natura chimica della lega che del relativo trattamento metallurgico seguito durante il processo produttivo.
Proprietà attrattive ma anche qualche criticità
La famiglia degli ISO-S presenta proprietà di indubbio interesse ma la loro lavorazione all’utensile ha caratteristiche che si discostano da quelle di materiali più tradizionali, quali il ferro o l’acciaio basso legato, risultando molto impegnativa, proprio a causa delle proprietà. Le criticità sono riconducibili all’elevata resistenza dei materiali anche ad alta temperatura, all’incrudimento durante la lavorazione, alla presenza di carburi e composti intermetallici fortemente abrasivi, alla bassa conducibilità termica e alla tendenza dei trucioli a saldarsi sulle facce dell’utensile. Il peso di ognuno di questi fattori dipende da lega a lega, in funzione degli elementi costituenti.
I problemi legati alla bassa conducibilità termica portano a un elevato assorbimento di calore da parte dell’utensile che si trova così a dover sopportare severe sollecitazioni, sia termiche che meccaniche. L’attenzione alla produttività richiede un aumento della velocità di taglio, che richiede l’impiego di utensili che abbiamo una temperatura max di lavoro il più alta possibile, oltre che elevata durezza e resistenza all’usura. La velocità di taglio delle HRSA resta comunque bassa, se raffrontata con quella degli acciai, mentre, per quanto riguarda i parametri tecnologici, in generale devono essere tali da contenere lo sfregamento dell’utensile, mentre utensili molto affilati, con angoli di spoglia positivi, aiutano la lavorazione, anche se resta l’importanza dello studio di nuove geometrie e nuovi coating che permettano di superare le criticità legate all’utensile.
L’utensile si può “sfilare”
Da non sottovalutare è il rischio di sfilamento dell’utensile dal portautensile, a causa delle onerose condizioni di lavoro: se ciò accade, le ripercussioni possono essere molto serie!
Come può accadere? Lo sfilamento dell’utensile è legato alla difficile lavorabilità delle superleghe, che esigono forze di taglio elevate, generando molto calore sulla punta dell’utensile e producendo trucioli difficili da rompere, che tendono a saldarsi sulla faccia dell’utensile. Geometrie e coating di ultima generazione possono essere di aiuto, ma il materiale lavorato consuma rapidamente i taglienti e la combinazione fra usura, positività degli angoli, forze di taglio e sollecitazioni assiali, sono tali per cui anche il portautensili si trova a lavorare in condizioni che rendono più che possibile lo sfilamento.
Quello dello sfilamento lavorando materiali duri e alto resistenziali è un problema noto, tanto la National Aeronautics Society mise a disposizione dei costruttori di macchine utensili il know how acquisito nella lavorazione di questi materiali: proprio al fine di evitare lo sfilamento dell’utensile nacque l’attacco Weldon, un sistema dai buoni risultati, ancora oggi è molto diffuso. L’avvento delle superleghe, con lo studio di utensili dalle geometrie complesse, ha però portato nuovamente alla ribalta il problema, evidenziando come ai portautensili ad alte prestazioni si affiancassero i blocchi meccanici, ognuno con caratteristiche diverse: i primi garantiscono tolleranze ristrette e migliorano la durata del tagliente, ma espongono al rischio di sfilamento, mentre i secondi “bloccano” l’utensile, ma perdono in efficienza e precisione. Oggi il mercato offre soluzioni che aiutano ad ovviare a questo problema, coniugando i vantaggi del serraggio Weldon a quelli del mandrino ad alte prestazioni.
L’Inconel
Le leghe HSRA, nonostante la difficile lavorabilità, hanno una diffusione in forte crescita, in particolare l’Inconel, marchio registrato della Special Metals Corporation: è una superlega a struttura austenitica a base nichel-cromo, con aggiunta di molibdeno e niobio.
L’Inconel ha elevate caratteristiche meccaniche, alto limite di fatica, resistenza all’ossidazione alle alte temperature e resistenza alla corrosione, garantita da uno spesso strato di ossidi protettivi. Poiché si tratta di un marchio registrato, con Inconel sono denominate diverse leghe, tutte adatte a impieghi in condizioni estreme, alcune di uso più comune, altre molto meno. Le più note sono:
• Inconel 625: utilizzata per la sua alta resistenza, buona lavorabilità ed eccellente resistenza alla corrosione, a temperature di servizio che vanno dalle temperature criogeniche ai 982 °C;
• Inconel 718: offre una eccellente resistenza alla corrosione alle alte e basse temperature, oltre che una buona resistenza alla vaiolatura e alla tensocorrosione. Ha buone proprietà meccaniche, con elevata resistenza a fatica ed elevati valori di rottura a scorrimento viscoso per temperature fino a 700 °C, e resistenza all’ossidazione fino a 1000°C. È probabilmente la superlega più usata al mondo;
• Inconel 825, grazie all’aggiunta di molibdeno, rame e titanio ha una eccezionale resistenza alla corrosione in ambienti particolarmente aggressivi. Infatti è utilizzato anche in presenza di acido solforico.
Lavorabilità: concetti generali
Molti sono i fattori che influenzano la lavorabilità di un materiale, ma i primi fattori da considerare sono:
• la caratterizzazione metallurgica del materiale
• le proprietà meccaniche del materiale
• la geometria dell’utensile
• le caratteristiche del materiale dell’utensile, inclusi i rivestimenti
Altri fattori di influenza sono i parametri tecnologici di taglio, le condizioni della lavorazione, i portautensili, i sistemi di presa pezzo e altri. Questo significa che la lavorabilità non è una condizione quantificabile ma un indice, più o meno oggettivo (o soggettivo), dell’attitudine del materiale ad essere lavorato, riferendosi a condizioni standard che considerano l’usura del tagliente e la tipologia di truciolo che si forma.
In linea di massima, si tende ad associare il concetto di buona lavorabilità ad una lavorazione “tranquilla”, che non presenta particolari inconvenienti e che garantisca un sufficiente durata dell’utensile. Ancora una volta è evidente come, in linea generale, il giudizio possa essere soggettivo, ma, se supportato da prove che soddisfino requisiti predeterminati, e che portino a risultati paragonabili, si può arrivare ad una definizione di “lavorabilità” condivisa.
Inconel e stampa 3D
L’avvento della tecnologia additiva ha portato il mondo manifatturiero a raggiungere nuovi traguardi. Fra i materiali che oggi possono essere “lavorati” con processi di stampa 3D per metalli c’è l’Inconel, sia Inconel615 che Inconel718, che può essere visto come una evoluzione, o una variante, del 615, però contraddistinto da maggior durezza.
Le proprietà di IN718 lo rendono particolarmente interessante per l’industria aerospaziale, ma anche in tutte quelle applicazioni estreme dove sono comunque richieste buona resistenza alla trazione, alla fatica, all’usura e alla rottura. Le criticità legate alle difficoltà nella lavorazione per asportazione di truciolo hanno portato ad indagare sulla possibilità di produrre manufatti mediante tecnologia additiva. Grazie al processo DMLS, cioè la sinterizzazione laser diretta dei metalli, oggi è possibile ottenere pezzi in Inconel con geometrie complesse, mantenendo inalterate le proprietà del materiale che, anzi, possono essere addirittura migliorate grazie alla solidificazione direzionale.
di Daniela Tommasi
