Gradient shot peening

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La pallinatura controllata è un trattamento ampiamente utilizzato per migliorare le proprietà meccaniche, in particolare il comportamento a fatica di componenti ed elementi strutturali. Nel presente contributo si descrive un nuovo modo di applicare questo trattamento, chiamato “gradient shot peening”, in grado di abbinare un efficace campo di sforzi residui superficiale di compressione, un gradiente microstrutturale e, allo stesso tempo, una miglior finitura superficiale, per un risultato complessivo superiore alle usuali modalità applicative.

La pallinatura è ampiamente utilizzata per migliorare le proprietà meccaniche, in particolare il comportamento a fatica componenti metallici, inducendo indurimento superficiale, sollecitazioni residue di compressione e un gradiente delle dimensioni dei grani cristallini. Focalizzando l’attenzione sulla pallinatura pneumatica, che utilizza aria compressa per accelerare il flusso di piccole sfere che impattano la superficie trattata, i principali parametri di trattamento, una volta fissato il tipo di sfera, sono l’intensità Almen e la copertura. Tali parametri sono legati, nella pallinatura ad aria compressa, alla pressione dell’aria e al tempo di trattamento. La combinazione di questi parametri gioca un ruolo fondamentale nel determinare gli effetti benefici della pallinatura. In precedenti lavori, gli autori hanno mostrato come calibrando opportunamente intensità e copertura verso valori più elevati rispetto a quelli comunemente utilizzati, con combinazioni indicate come severe shot peening (SSP), sia possibile ottenere una diminuzione dei grani cristallini superficiali e una microstruttura a gradiente che, assieme agli sforzi residui superficiali di compressione, ben conosciuto effetto del trattamento, permettono un incremento della resistenza a fatica e della durata ben superiore a quello evidenziato dagli usuali parametri di trattamento senza eccedere nelle dannose condizioni che caratterizzano l’over shot peening (OSP), per il quale il materiale si danneggia superficialmente, con conseguente minor efficacia della pallinatura (o, anche, un peggioramento del comportamento a fatica). Tuttavia, il trattamento di severe shot peening, ha evidenziato, come effetto collaterale, l’aumento della rugosità superficiale fino a valori che possono parzialmente compromettere il risultato finale del trattamento. Per ovviare a queste problematiche, si è pensato di modificare le modalità applicative della pallinatura pneumatica, sviluppando un trattamento in cui la pressione dell’aria compressa non è constante durante la durata temporale del trattamento, ma viene variata nel tempo, in modo da e massimizzare, complessivamente, il beneficio della pallinatura controllata rispetto alla resistenza a fatica, che ancora oggi rappresenta una delle principali insidie per i progettisti meccanici (e non solo). Queste nuove modalità applicative della pallinatura sono state chiamate gradient severe shot peening (GSSP), per sottolineare l’approccio innovativo al trattamento e i risultati che permette di ottenere e che lo differenziano rispetto alle attuali modalità applicative di riferimento del trattamento.

Gradient Severe Shot Peening, cos’è?

In Figura 1a è schematicamente illustrato un impianto per la pallinatura ad aria compressa (pallinatura pneumatica) e di come il trattamento viene eseguito. In Figura 1b si vede come il tempo di trattamento modifica il risultato, aumentando la copertura fino a valori di almeno il 100%, mentre in Figura 1c è evidenziato l’effetto della pressione, che aumenta le dimensioni delle impronte di contatto e, con esse, la deformazione plastica e l’intensità. Infine, in Figura 1d, si evidenziano i principali effetti legati all’esecuzione della pallinatura: la modifica della rugosità e la diminuzione delle dimensioni dei grani cristallini in superficie, con una microstruttura a gradiente in profondità, una maggiore durezza superficiale e un campo di tensioni residue, di compressione in superficie con un massimo ad una certa profondità, per poi divenire di trazione negli strati più profondi di materiale. Tali effetti sono usualmente ottenuti e controllati impostando una determinata pressione dell’aria compressa e un tempo complessivo di trattamento, durate il quale la pressione viene mantenuta costante. Come prima accennato, è stato precedentemente mostrato dagli autori che aumentando l’intensità di Almen e la copertura superficiale, e di conseguenza aumentando l’energia cinetica del trattamento SP rispetto a quelle utilizzate nella pallinatura convenzionale (CSP), si possono ottenere processi di pallinatura severa (SSP), in grado di generare grani nanostrutturati sullo strato superficiale e indurre sollecitazioni residue di compressione più elevate. Inoltre, si è visto che la SSP ha effetti più benefici rispetto alla pallinatura convenzionale, in termini di proprietà meccaniche e fatica, dopo una opportuna scelta dei parametri in funzione della specifica applicazione. Tuttavia, si è constatato che utilizzando intensità e/o coperture superiori a quelle considerate nella SSP, si induce il fenomeno dell’over shot peening (OSP). Detto questo, bisogna comunque sottolineare che, nelle condizioni OSP è possibile ottenere un maggiore indurimento superficiale e delle sollecitazioni residue di compressione più elevate, insieme a difetti e microcricche che pregiudicano il risultato del trattamento.

La Figura 2a presenta l’illustrazione schematica dei processi CSP, SSP e OSP, in funzione del tempo e della pressione di trattamento. Come si può notare, la pallinatura convenzionale (CSP) è caratterizzata da intensità e tempi molto inferiori alle altre modalità applicative, mentre il confine tra SSP e OSP è dettato dalla combinazione intensità-tempo e non è sempre di immediata individuazione.

Nella Figura 2b, si mostra, invece, come le modalità di trattamento sono state modificate per realizzare la pallinatura severa a pressione variabile, o “con gradiente” (GSSP). Nella formulazione con pressione ascendente (ASSP), la pressione dell’aria è continuamente crescente dall’inizio alla fine del trattamento, con valore massimo della pressione e del tempo che corrispondono quelli del trattamento di pallinatura eccessiva (OSP). Nella modalità ascendente-discendente la pressione sale fino alla pressione di OSP nella metà del tempo del trattamento di OSP per scendere a zero nel tempo restante, per un tempo totale sempre uguale a quello del trattamento OSP. Con tali modalità applicative ci si propone di coniugare gli effetti positivi della pallinatura severa (SSP) senza, tuttavia, incorrere nelle problematiche legate a tale trattamento, in particolare relativamente alla qualità della finitura superficiale. Nei paragrafi che seguono vengono illustrate le esperienze condotte e i risultati ottenuti.

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