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MASSIMA RESISTENZA ALLE SOLLECITAZIONI TERMO-

MECCANICHE NEI SETTORI DELLA PRESSOFUSIONE DI Al E STAMPAGGIO A CALDO DI ACCIAIO.

Dott. Pirovano Marco - T.T.N. S.p.A.

T.T.N. S.p.A. ha considerato negli ultimi anni obiettivo strategico per la propria caratterizzazione come trattamentista la specializzarsi nell' affrontare le problematiche dellacciaio coordinando lazione metallurgica a cuore del pezzo con quella esercitata alla superficie dello stesso. In questo approfondimento ci siamo per primo specializzati in un settore dove lacciaio e tutto ci ad esso relativo hanno unelevata incidenza sui costi, in particolare ci riferiamo a stampi dedicati a fonderie di Al o a stamperie a caldo di acciaio. Dando uno sguardo allindietro vediamo che levoluzione del processo di tempra conosce un momento importante con lintroduzione circa 10-12 anni fa della tempra eseguita sotto pressione di gas (detta anche impropriamente sottovuoto). Qui apriamo una piccola parentesi per spiegare un concetto che molti confondono e cio che con il termine tempra sottovuoto si indica solo limpiego di impianti in cui i particolari sono riscaldati e mantenuti in temperatura (1000-1050C) in vuoto; il raffreddamento pu invece avvenire in diversi modi: sia in flusso di gas ad alta pressione, sia in olio, sia in bagno di sale (ma sempre di tempra sottovuoto si tratta!!). Il vantaggio della tempra sottovuoto con raffreddamento in gas ad alta pressione consiste nella riduzione notevole del sovrametallo da lasciare sui pezzi in quanto non si ha decarburazione superficiale durante il ciclo termico. Alcuni per tra stampisti e fonderie hanno sempre guardato con sospetto questo sistema di tempra in gas preferendovi la vecchia tempra in bagno di sale, sono infatti intimoriti dalle difficolt per sistemi di raffreddamento diversi a garantire una buona trasformazione metallurgica dellacciaio che determina imprescindibilmente la resa dello stampo in macchina. Siamo perci in presenza di due scuole di pensiero circa la tempra: la prima privilegiata da colui che costruisce lo stampo per cui la tempra con raffreddamento in gas, garantendo le minori decarburazioni e deformazioni, gli riduce fortemente i costi; la seconda avvallata principalmente dagli utilizzatori spaventati dalla possibile non idonea struttura di tempra per cui vale la pena perdere ore in pi di lavoro dopo tempre drastiche in bagni di sale piuttosto che avere una precoce comparsa di cricche a fatica termica, pelle di elefante, sulle

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T.T.N. S.p.A. non si azzardata a sostenere la tempra sottovuoto con spegnimento in gas ad alta pressione, operativa presso i nostri stabilimenti da ca. 10 anni, su matrici di grandi dimensioni. Ci perch con questa soluzione di tempra non possibile prescindere dalla morfologia e dalla composizione della carica per determinare la velocit di raffreddamento e quindi le strutture metallurgiche. In altre parole non possiamo mai essere sicuri di come avverr il raffreddamento e come sar efficace perch la capacit di raffreddare del gas determinata dalla estensione della superficie in carica che varia di volta in volta. Il flusso del gas ad alta pressione lambisce la superficie degli stampi determinando raffreddamenti differenziati. Secondo la sezione e la morfologia della superficie avremo risultati differenti: le alette sottili sono raffreddate immediatamente avendo un basso rapporto superficie-volume, le sezioni cave invece vedranno un ristagno del gas allinterno con conseguente ridotta efficacia di raffreddamento ancora sezioni di grosse dimensioni avrannno un raffreddamento molto pi lento delle altri parti dello stampo con presenza di forti tensioni termiche.

a b Fig.1

Una parte di stampo come quella di Fig 1.a temprata sottovuoto in pressione di gas ha altissimi rischi di accumulare tensioni ed anche microcricche a causa della diversa espansione e contrazione termiche rispetto alla matrice Fig.1b.

Alternativamente se durante la tempra in flusso di gas tengo bassa la pressione seppure riduco notevolmente i rischi sopra evidenziati devo per rinunciare ad avere una buona struttura metallurgica dellacciaio compromettendo definitivamente le prestazioni agli shock termici e meccanici in esercizio con le

Zona critica in raffreddamento: forte variazione di sezione e di massa pericolo di cricche, tensionamenti e variazioni dimensionali

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In Fig. 2.a viene riportata la micrografia eseguita al microscopio ottico (X500) di un campione prelevato da un tassello Nabe (diam. 250) che dopo 1000 colpi presentava evidenti sgranature della superficie in prossimit dellingresso di colata.

a b Fig. 2

T.T.N. S.p.A. propone finalmente come soluzione a questa situazione per cui non si pu coniugare trasformazione con deformazione e assenza di decarburazione con strutture come in Fig.2a una tempra eseguita in forni sottovuoto ma con spegnimento non solo in sale bens in due bagni di sale a 2 temperature differenti (vedi Fig. 3).

GROSSO AGGREGATO BAINITICO GEMINATO A BORDO GRANO VELOCITA DI RAFFREDDAMENTO INSUFFICIENTE

1 bagno a 550C 2 bagno a 200C Forno sottovuoto

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La linea robotizzata presentata in fig. 3 costituita per affrontare definitivamente le esigenze del settore pressofusione e stampaggio a caldo si costituisce di 2 forni sottovuoto per tempra fino a 2 tonn /cad con i due forni di rinvenimento sottovuoto annessi e due vasche per il raffreddamento in doppio bagno di sale: il primo fino a 550C il secondo fino a 210C. Questa soluzione estremamente semplice in quanto permette di conciliare basse deformazioni, basse decarburazioni con strutture metallurgiche molto buone.

Riportiamo qualche esempio pratico di applicazione della soluzione proposta a stampi e contenitori di grosse dimensioni attraverso il monitoraggio con due

a b

c d Figg.4

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In Fig. 4a riportato il diagramma CCT per raffreddamento continuo su acciaio X38CrMoV5.1 da cui si evidenzia la presenza di una cosiddetta finestra tra 400C e 600C dove lacciaio ha una struttura stabile di austenite evitando le due zone evidenziate ove si avrebbe perlite o bainite superiore. Senza entrare nei dettagli metallurgici possiamo tranquillamente introdurre una correlazione tra microstruttura dellacciaio e sue caratteristiche macroscopiche, infatti al fine di avere le migliori caratteristiche a caldo dovranno essere evitati in ordine decrescente di pericolosit le seguenti fasi: carburi primari, carburi da precipitazione, perlite, bainite superiore. Dalle Fig. 4 b,c si vede come le temperature della superficie e del cuore di grossi stampi siano uniformate a ca.500C in tempi variabili da 30 a 90 in funzione della sezione e solo successivamente immerse nel 2 bagno a 200C dove avviene la trasformazione metallurgica con il conseguente aumento di durezza ed il conferimento delle propriet di resilienza e tenacit allo stampo. Questa tempra sottovuoto con spegnimento in bagno termale a doppio stadio garantir al particolare, qualunque siano la dimensione e la geometria, i seguenti requisiti: a.- ottima struttura (tenacit e resistenza a caldo), b.- tensioni di raffreddamento e di trasformazione contenute, c.- deformazioni contenute, d.- decarburazione assente,

Miglior rapporto: A/(B+C+D).

LE CARATTERISTICHE MECCANICHE

Quanto detto finora comprensibile in base intuitiva a tutti coloro che in qualche modo hanno a che fare con lacciaio ed i suoi requisiti, analizziamo ora dei dati scientifici ottenuti su provini in H11 temprati in vari modi e verificati presso lUniversit di Trento e Brescia. In particolare T.T.N: S.p.A. ha voluto misurare la resilienza e la tenacit, due caratteristiche pregiudiziali al comportamento dello stampo in presenza di shock termici e meccanici. Come prima cosa va detto che per resilienza si intende la resistenza offerta dallacciaio alla nucleazione di una cricca a propagazione immediata, ci ci fornisce delle informazioni riguardo il comportamento dellacciaio nelle primissime fasi dellimpiego. La tenacit o KIc misura , su di un provino precriccato a fatica, quale sia il carico che determina la propagazione catastrofica della cricca fino alla rottura. Questa misura da uninformazione su quanto a lungo lo stampo possa mantenere la sua integrit visiva in superficie e quindi di riflesso sul pezzo stampato prima di essere ripreso. E a questo punto indispensabile entrare maggiormente in dettaglio nella relazione presente tra la microstruttura generantesi dalla tempra e le

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In Figg. 5 sono riportate delle micrografie ottenute su stampi e tasselli temprati rispettivamente a) vuoto 8 bar, b) sale 525C+ aria forzata, c) sale 550C+ sale a 220C. A questo riguardo raccomandiamo ad utilizzatori e stampisti interessati di richiedere sempre micrografie soprattutto dopo tempra, prima che i rinvenimenti. Le diversit nella struttura dopo tempra sono progenitrici di tutta la vita dello stampo ed andarle a cercare su strutture dopo rinvenimento come quasi tutti fanno compito assai arduo anche per occhi esperti. Quindi richiedete micrografie quali quelle in Figg. 5 per comprendere se il vostro stampo presenta strutture con bainite superiore marcata a bordo grano Fig. 5a, bainite sempre superiore ma pi fine Fig.5b oppure struttura completamente martensitica bainitica inf. Fig 5c. Se vi chiedete perch la bainite superiore ben visibile su strutture solo temprate sia cos pericolosa ai fini della fragilit a caldo potete osservare in Fig.6a come questa si presenti al microscopio elettronico a trasmissione a 100.000

a b c Figg.5

GROSSA PLACCHETTA DI Fe3C a BORDO GRANO

GROSSA ISOLA DI FERRITE

PACCHETTI MOLTO RAVVICINATI FERRITE-

a b Figg.6

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La bainite superiore si forma durante un raffreddamento lento che consente agli atomi di C di diffondere ai bordi del grano austenitico lasciando cos grosse placche senza carbonio cio di ferrite, isolate le une dalle altre da grosse lamelle ad alto contenuto di carbonio Fe3C (cementite), vedi Fig. 6a. E facile immaginare cosa significhi avere cos strutturate grosse zone senza durezza ed altre con durezza molto elevata. Inoltre se la superficie dello stampo dovesse essere sottoposta a processi quali la nitrurazione sia gassosa, che ionica o salina le placche di ferrite verrebbero letteralmente zavorrate di azoto assumendo una fragilit enorme, estremamente adatte a sgranarsi durante un ciclo termico. Dobbiamo riflettere molto bene sulla connessione tra struttura di tempra e trattamenti antiusura-antincollaggio superficiali, infatti se la prima si presenta come in Fig. 5a sar certamente pi consigliato non eseguire neppure processi quali larricchimento interstiziale di atomi N,C ed O che ne comprometterebbero le caratteristiche di tenuta a caldo. In Fig. 6b riportata unimmagine ottenuta al T.E.M. di una struttura di bainite inferiore nucleata contemporaneamente e nello stesso modo della martensite. Questa struttura infatti segue ad un processo di raffreddamento rapido che non permette agli atomi di C la diffusione, intrappolandoli allinterno del grano austenitico che si trasforma cos in una finissima alternanza di pacchetti ferrite/Fe3C senza precipitazioni a bordo grano. La bainite inferiore una struttura che al microscopio ottico appare indistinguibile dalla martensite, la loro presenza congiunta infatti garanzia delle migliori caratteristiche di tenacit/durezza. Inoltre in tal caso effettuando un trattamento superficiale non si incorrerebbe in rischi di sfaldature e criccature precoci, potremmo invece sfruttare i vantaggi di nitrurazioni, comunque a basso potenziale di azoto, di rivestimenti P.V.D. quali il CrN oppure ancora del NIPRE contro lossidazione e lincollaggio sia di Al che di acciaio.

I valori di resilienza KV e di resistenza alla frattura KIc ottenuti sui campioni in acciaio AISIH11 con le 3 differenti soluzioni di tempra sottovuoto sono riportati in Fig. 7. Qui sulle ascisse abbiamo le velocit di tempra in C/min, in ordine crescente troviamo:a) tempra effettuata in sale a 550C seguita da aria forzata, b) tempra effettuata in gas a pressione di 8 bar, c) tempra effettuata in sale a 200C. Come ci si attende la resilienza aumenta allaumentare della velocit di tempra. Tradotto in microstruttura ci equivale a dire che tanto pi le placche di bainite (ferrite/Fe3C) sono sottili quanto maggiore la resistenza offerta dallacciaio alla comparsa di cricche.

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Pr o pr iet m eccan iche m acr o sco p ice in funzio ne d ella d r ast ic it d i t em pr a

1 6 4 2 7 80

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

V e lo c it d i te m p r a , (C /m in )

Te n a c it a lla f r a t tu r a K Ic ,(M N /m ^ 1 .5 )

1 6 4 2 7 80

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

V e lo c it d i te m p r a , (C /m in )

R e s il ie n z a K V,(J o u le )

H 11 fo rg ia to ,tra s v e rs a leH 11 fo rg ia tolo n g itu d in a le

Fig. 7 Ricordiamoci comunque molto bene che il nostro stampo non certo semplice come una provetta di resilienza (10x10x55) impiegata per il nostro studio, per cui non si pu assolutamente mai dimenticarsi le implicazioni in termini di deformazione e soprattutto tensioni di tempra. A questo riguardo fondamentale che la superficie e gli strati pi interni dello stampo si raffreddino il pi omogeneamente possibile, dimentichiamoci quindi di poter spingere al massimo nel caso b) la pressione del gas di raffreddamento. Quello che si deve fare con stampi e particolari delicati sfruttando il diagramma CCT, Fig. 4a, scendere rapidamente dai 1020C solo fino a ca. 500C attutendo lo sbalzo termico, raggiunta luniformit raffreddare immediatamente a 190-200C (sotto Ms). Sbalzi termici maggiori sono solo inutili, si tradurranno infatti unicamente in tensioni e precriccature nelle zone a forte variazione di sezione (Fig.1a). Dalla Fig.7 scaturisce in modo sconcertante la superiorit dei due raffreddamenti in sale a) e c) rispetto a quello con gas in pressione b) relativamente alla caratteristica di impedire la propagazione delle cricche verso linterno una volta nucleate. Ci importante agli occhi degli utilizzatori, infatti maggiore la durezza di tempra e di nitrurazione maggiore sar la resistenza allinnesco di cricche ma si ridurr fortemente quella alla propagazione. E quindi desiderabile da parte dellutilizzatore fonderie o stamperia che sia avere una struttura in grado di assorbire lei le tensioni agli apici delle cricche, plasmandosi in modo plastico prima di avere la propagazione catastrofica. Si deve parlare brevemente a livello di microstruttura dellimportanza dei carburi precipitati in fase di raffreddamento nella matrice ed a bordo grano. E fondamentale analizzare a questo riguardo la densit e la morfologia ai fini della resistenza a caldo dello stampo e della sua fragilit

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In conseguenza di queste caratteristiche quando lacciaio portato ad alta temperatura il C ha lenergia sufficiente per cominciare a diffondere verso zone di alto disordine quali appunto i carburi. La diffusione del carbonio provoca un impoverimento della matrice ed un ingrossamento o coalescenza dei carburi con conseguenza perdita di durezza (caduta di durezza a caldo) ed estrema fragilit (grossi carburi in matrici depleted-svuotate). Per questo motivo auspicabile che dopo tempra il numero di carburi precipitati e le loro dimensioni siano le minori possibili. Infatti pi la precipitazione fine pi sar ritardato leffetto in esercizio di accrescimento ed impoverimento della matrice sopra descritto. In fig. 8 riportiamo la quantificazione dei carburi in funzione della dimensione sui provini usati per la caratterizzazione di KV e KIC per le tre diverse modalit di tempra. Anche qui evidente la forte relazione con la drasticit di tempra che sopprime la diffusione del carbonio impedendo la comparsa di bainite grossolana e carburi grossolani.

Fig.8

Valutazione del numero e della morfologia dei carburi dopo tempra

12 18 22 28 32 38 42 48 52 58 62 68 72 780

5

10

15

20

25

30

dimensione dei carburi in lega (nm)

nu

mer

o di

m

isu

razi

on

i

temprato in sale a 200ctemprato in gas a 8 bartemprato in sale a 500C