Trattamenti termici. L. Cislaghi, D. Mattavelli

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1 Trttmenti termici Ricerc del migliore compromesso delle crtteristiche meccniche degli ccii per utensili cldo dopo onific. Comportmento dell tencità per effetto dei tempi prolungti lle temperture dell nitrurzione L. Cislghi, D. Mttvelli L onific degli ccii per utensili cldo rende stile il comportmento termomeccnico dovuto llo stress cui sono sottoposti i componenti per pressocolt o stmpggio cldo. L interesse di questo studio è rivolto tutti i mrgini di migliormento industrilmente pplicili trmite trttmento termico per ottenere un res ed un performnce che rispettino le ttese nche fronte di differenti stti di fornitur del mterile. Utensili e stmpi, dopo trttmento termico e finitur, sono spesso nitrurti. Indipendentemente dl metodo, l nitrurzione sottopone il pezzo temperture site nell intervllo dell frgilità d rinvenimento con più lunghe permnenze. L indgine è stt nche condott con lo scopo di verificre in che modo ed in qule misur si influenzt l tencità di un mterile onificto con durezz e resilienz crtteristiche di uno stmpo di pressocolt simulndo l tipic tempertur e i tempi dottti per l nitrurzione Keywords: Cruri - Soluilizzzione - Ricottur isotermic - Tencità - Frgilità d rinvenimento INTRODUZIONE L scelt di un cciio per l costruzione di prti meccniche di stmpi per pressocolt o stmpggio cldo è vincolt ll composizione chimic e lle crtteristiche di fornitur, si per qunto rigurd l integrità e l purezz del mterile, si per qunto rigurd l su omogeneità microstrutturle. Cromo, molideno e vndio sono gli elementi fondmentli che determinno le proprietà di resistenz cldo. Sin d qundo il mterile è colto e poi forgito, questi tre elementi si legno l cronio con precipitzione di cruri di differente morfologi in funzione dell loro tempertur e tempo di formzione, e quindi delle temperture e tempi di forgitur. Lo stto di lvorilità finle è fornito d un ricottur che determin l formzione e distriuzione di cruri gloulri contenenti l mggiore frzione di elementi legnti nell microstruttur cristllin. L. Cislghi - D. Mttvelli T.T.N. S.p.A. Vi 1 Mggio, Nervino (MI) Considerndo l forgitur come un vero trttmento termico ccompgnto d un deformzione plstic, è chiro che i tempi di pssggio d lte temperture temperture più sse sono tr i fttori primri che determinno l qulità dell cciio, proprio perché sono ttrverste in continuo le temperture di esistenz dei cruri [1]. L nuclezione e l distriuzione dei composti pprtiene nche llo stto del mterile prim dell forgitur, che, per qunto poss essere condott con metodi deguti, può presentre disomogeneità, se già erno presenti tutte le condizioni per fcilitrl. Lo stto finle prim dell lvorzione meccnic non nsce quindi solo di metodi di ricottur, m è concret ntur si di come il mterile er sin dll inizio, si di come l cciio è stto forgito. BONIFICA L onific dell mggior prte degli ccii di quest clsse segue le indiczioni delle normtive ( ISO 4957) e delle cciierie. Generlmente l tempertur di ustenitizzzione è tr 1010 e 1050 C, d esclusione di csi in cui l cciio è elorto e forgito con tecnologie specili, in cui l tempertur può essere più ss con vlore indicto dll cciieri stess. L Metllurgi Itlin - n. 2/

2 Memorie Lo spegnimento è eseguito con metodo diretto o sclre (mrtempering [2]) in funzione dell tecnologi di tempr, delle dimensioni dei pezzi e dell cciio stesso. Il rinvenimento segue tre step: il primo nell intorno dell indurimento secondrio, il secondo ll tempertur per ottenere l durezz desidert ed il terzo per un finle distensione. È stto tuttvi dimostrto che, nche discostndosi completmente d questo metodo di condurre i rinvenimenti, si rggiungono i medesimi risultti [3]. L tempertur di ustenitizzzione gener il fenomeno di dissoluzione przile o complet dei cruri e può cusre l crescit delle dimensioni del grno cristllino rispetto llo stto di prtenz. Stilito quindi il metodo di rinvenimento per ottenere l durezz desidert dopo onific, le proprietà meccniche intrinseche, resilienz e resistenz cldo, sono dettte quindi d tre fttori: le condizioni di fornitur, l tempertur di ustenitizzzione e ciò che vviene nel mterile nel corso del rffreddmento in continuo, compreso il metodo sclre. INDURIMENTO SECONDARIO E TEMPERATURA DI NITRURAZIONE L indurimento secondrio [4] è correlto con l precipitzione di cruri che forniscono resistenz l mterile, m provocno nche il suo infrgilimento. Questo effetto è normlmente ridotto l minimo o nnullto dl secondo rinvenimento tempertur più lt. Tuttvi, qundo i prticolri sono sottoposti nitrurzione, l tempertur del trttmento termochimico, se eseguito tr 510 e 530 C, riport l cciio nello stesso intervllo cui si svilupp il suo infrgilimento. Poiché i tempi di nitrurzione possono essere molto lunghi, qundo si vuole ottenere su prti stmpnti un mggiore profondità di resistenz ll ftic termic, è plusiile che nel corso del processo si verifichi un ritorno dell infrgilimento. H un fondmentle importnz spere in che misur questo fenomeno si verifichi e se l tempertur di nitrurzione i un effetto deleterio, trscurile o, l contrrio, enefico. stto di sol ricottur ed uno stto di ricottur e rigenerzione. Per riuscire in un complet soluilizzzione, è stto necessrio imporre un tempertur superiore rispetto quell clssic di ustenitizzzione, tenendo soprttutto in considerzione che i cruri di vndio si dissolvono completmente temperture molto lte. L rigenerzione dell struttur cristllin è stt condott con il metodo dell ricottur isotermic, che permette l decomposizione del grno ustenitico con formzione di cristlli più fini [5,6]. Gli otto cmpioni sono stti poi temprti con lo stesso metodo, distinguendo le temperture di rinvenimento llo scopo di ottenere vlori di durezz differenti. Quttro cmpioni sono stti portti d un durezz di HRC, mentre gli ltri quttro d un durezz più lt, HRC. L tell 1 mostr tutto lo spettro dei trttmenti termici eseguiti sui cmpioni e le durezze riscontrte. Cmpione 1 Trttmento 2 Trttmento RB1 Ricottur // 3 Trttmento Durezz (HRC) RRB1 Ricottur Ricottur 43.6 isotermic Bonific 1 SB1 Soluilizzzione // 43.8 SRB1 Soluilizzzione Ricottur isotermic RB2 Ricottur // RRB2 Ricottur Ricottur 44.5 isotermic Bonific 2 SB2 Soluilizzzione // 45.5 SRB2 Soluilizzzione Ricottur isotermic 45.4 T. 1 - Trttmenti termici nlisi di confronto tr differenti condizioni inizili Chive di Lettur // = Nessun Trttmento Tle 1 - Het Tretments nd comprison nlysis of the different supplying condition Key // = No Het Tretment 46 TRATTAMENTI TERMICI Alterzione delle condizioni di prtenz ed nlisi di confronto Per investigre fondo su come un condizione di prtenz poss influenzre i risultti dopo il trttmento termico, sono stti scelti N.8 cmpioni tondi dimetro 60 mm, lunghezz 70 mm di AISI H11. I cmpioni sono stti estrtti dl pieno di un rr già onifict di un forgito ccettile, m non di qulità. Su questi sono stti eseguiti trttmenti termici mirti d ottenere diverse condizioni inizili. Lo scopo principle è il confronto dopo onific tr uno stto di complet soluilizzzione dei cruri, uno stto di soluilizzzione e rigenerzione dell microstruttur, uno L soluilizzzione d lt tempertur rende più omogeneo il mterile, m cus l ingrossmento del grno: l rigenerzione è quindi un psso necessrio, m comport l ttrversmento dell intervllo di temperture di esistenz dei cruri. Trmite l ricottur isotermic, se non ccde nel corso del rffreddmento ll tempertur cui si h l mggiore cpcità di trsformzione d ustenite ferrite e cruri, si verific nel corso dell permnenz l inevitile formzioni di cruri. Tempertur di nitrurzione: 520 C N.5 tondi delle stesse dimensioni ed estrtti dll stess rr sono stti onificti in un unic cric industrile 44.1 HRC. Uno di questi è stto preservto, gli ltri quttro 12 L Metllurgi Itlin - n. 2/2014

3 Trttmenti termici sono stti sottoposti seprtmente d un tempertur di 520 C per 10, 30, 70 e 120 ore. In questo modo è stto possiile verificre il discostmento dlle crtteristiche di un pezzo già onificto in considerzione di un progressivo tempo di esposizione quest tempertur crtteristic dell nitrurzione. L tell 2 mostr i dti essenzili dei trttmenti termici. Cmpione AS 1 1 Trttmento 2 Trttmento Tempertur 2 Trttmento Tempo (h) // // 3 Bonific C T. 2 - Trttmenti termici dei cmpioni sottoposti 520 C Chive di Lettur // = Nessun Trttmento. AS = cmpione non sottoposto ll tempertur di 520 C Tle 2 - Het Tretment of the smples sumitted to 520 C Key // = No Het Tretment AS = Smple just hrdened nd not sumitted to 520 C 10 Cmpione Resilienz Kv (J) Avg. (J) RB RRB SB SRB RB RRB SB SRB T. 3 - Risultti prove meccniche di resilienz sui cmpioni sottoposti differenti condizioni inizili prim dell onific Tle 3 - Impct strength results of the smples sumitted to different strting condition efore the hrdening Fig. 1 ) Frttur Cmpione RB1 Kv 21 J; ) Frttur Cmpione RRB1 Fig. 1 ) RB1 Smple Frcture Kv 21 J; ) RRB1 Smple Frcture RISULTATI Alterzione delle condizioni di prtenz ed nlisi di confronto Sui cmpioni sono stte eseguite prove di resilienz con intglio V tempertur miente, ispezione visiv dell frttur ed nlisi metllogrfic. L tell 3 riport i dti dei vlori riscontrti dopo le prove meccniche. Le Figg. 1-4 mostrno immgini reltive frtture ed ispezione visiv. Nelle Figg. 1 e 1 è visiile per i due cmpioni RB1 ed RRB1 un comportmento principlmente plstico con frttur tipo duttile e trcce di frgilità. Il cmpione RRB1 (Fig. 1) h un comportmento più plstico. L frttur del cmpione SB1 (Fig. 2) evidenzi un mrct grossolnità con comportmento di tipo frgile ed intergrnulre. Differente spetto present invece il cmpione SRB1 (Fig. 2), con crttere più fine e presenz di un più chir duttilità. Il cmpione RB2 (Fig. 3) offre un superficie di frttur tendenzilmente grossoln e frgile, mentre il cmpione RRB2 (Fig. 3) mostr un frttur più fine, m con comportmento misto. L frttur SB2 (Fig. 4) è comprile qunto si riscontr nel cmpione SB1. Tle condizione non ppre per il cmpione SRB2 (Fig. 4). Fig. 2 ) Frttur Cmpione SB1 Kv 15J; ) Frttur Cmpione SRB1 Kv 31J Fig. 2 ) SB1 Smple Frcture Kv 15J; ) SRB1 Smple Frcture Kv 31 L Metllurgi Itlin - n. 2/

4 Memorie Fig. 3 ) Frttur Cmpione RB2 Kv 10J; ) Frttur Cmpione RRB2 Kv 17J Fig. 3 ) RB2 Smple Frcture Kv 10J; ) RRB2 Smple Frcture Kv 17J Fig. 4 ) Frttur Cmpione SB2 Kv 10J; ) Frttur cmpione SRB2 Kv 17J Fig. 4 ) SB2 Smple Frcture Kv 10J; ) SRB2 Smple Frcture Kv 17J 14 Fig. 6 ) Microgrfi Cmpione SB1 Kv 15J; ) Microgrfi Cmpione SRB1 Kv 31J Fig. 6 ) SB1 Smple Microgrph Kv 15J; ) SRB1 Smple Microgrph Kv 31J Fig. 7 ) Microgrfi Cmpione RB2 Kv 10J; ) Microgrfi Cmpione RRB2 Kv 17J Fig. 5 ) Microgrfi del Cmpione RB1 Kv 21 J; ) Microgrfi Cmpione RRB1 Fig. 5 ) RB1 Smple Microgrph Kv 21 J; ) RRB1 Smple Microgrph Fig. 7 ) RB2 Smple Microgrph Kv 10J; ) RRB2 Smple Microgrph Kv 17J Le Figg. 5-8 mostrno le microgrfie dei cmpioni con ttcco cido Nitl 2%. L loro microstruttur è costituit d mrtensite rinvenut. I cmpioni RB1 (Fig. 5) ed RRB1 (Fig. 5) hnno crtteristiche simili, con tuttvi mggiore finezz per il cmpione RRB1. Il cmpione SB1 (Fig. 6) mette ll luce un grossolnità che non si riscontr nel cmpione SRB1 (Fig. 6). Tle comportmento rispecchi qunto riscontrto sull superficie di frttur. L microstruttur del cmpioni RB2 (Fig. 7) evidenzi un form di przile grossolnità non più presente nel cmpione RRB2 (Fig. 7). Come per i cmpioni SB1 ed SRB1, nche in questo cso si h un sostnzile migliormento dell microstruttur d SB2 (Fig. 8) d SRB2 (Fig. 8). L Fig. 9 mostr le microgrfie di due cmpioni con ttcco cido Murkmi. L microgrfi KRB1 del cmpione RB1, ricotto onificto, mostr un ggregto di fini cruri indisciolti d un corl Metllurgi Itlin - n. 2/2014

5 Trttmenti termici Fig. 8 ) Microgrfi Cmpione SB2 Kv 10J; Microgrfi Cmpione SRB2 Fig. 8 ) SB2 Smple Microgrph Kv 10J; ) SRB2 Smple Microgrph Cmpione Durezz (HRC) Resilienz Kv (J) Avg (J) AS ore ore ore ore T. 4 - Risultti prove meccniche di resilienz sui cmpioni sottoposti differenti tempi di esposizione ll tempertur di 520 C Tle 4 - Impct Strength nd Hrdness results of the smples sumitted t different nitriding stys: temperture 520 C Fig. 9 ) Microgrfi KRB1 Cmpione RB1 Kv 21 J; ) Microgrfi KSB1 Cmpione SB1 Kv 15J Fig. 9 ) SB2 Smple Microgrph Kv 10J; ) SRB2 Smple Microgrph Fig. 10 ) Frttur Cmpione AS Kv 18J; ) Frttur Cmpione 1 Kv 23J Fig. 10 ) AS Smple Frcture Kv 18J; ) Smple 1 Frcture Kv 23J Murkmi Murkmi rett tempertur di ustenitizzzione (1020 C): questi sono completmente scomprsi dopo l soluilizzzione d lt tempertur. L microgrfi KSB1 del cmpione SB1 evidenzi solo un inclusione non metllic. Tempertur di nitrurzione: 520 C L tell 4 riport i vlori di durezz e resilienz con intglio V tempertur miente del cmpione AS, cioè solo onificto, e dei cmpioni 1, 3, 7 e 12, sottoposti differenti tempi di esposizione ll tempertur di 520 C. Le Figg. 10 e 11 documentno l superficie di frttur. L frttur del cmpione AS (Fig. 10) è di crttere misto, m con tendenz ll grossolnità ed evidenti dimples. Tle grossolnità è ncor presente nell frttur del cmpione 1 (Fig. 10), dove tuttvi è visiile un inizio di plsticità e duttilità. Le frtture del cmpione 3 e del cmpione 12 possono L Metllurgi Itlin - n. 2/2014 Fig. 11 ) Frttur Cmpione 3 Kv 28J; ) Frttur Cmpione 12 Kv 31J Fig. 11 ) Smple 3 Frcture Kv 28J; ) Smple 12 Frcture Kv 31J 15

6 Memorie c d KRB1 ricotto e onificto, m che per fre questo occorre slire temperture più lte: microgrfi KSB1 soluilizzto e onificto. V tenuto in considerzione che, confrontndo i vlori di resilienz delle onifiche B1 e B2, è riscontrt l sensiilità l clo dell tencità l crescere dell durezz (SRB1 28J Avg. durezz 43.3HRC Vs. SRB2 18J Avg. durezz 46.0 HRC): questo fenomeno è meno evidente, m sempre presente, nei mterili di mggiore qulità e già di prtenz più omogenei. È molto proile che tle sensiilità cresc l crescere di condizioni di fornitur molto critiche. Tempertur di nitrurzione: 520 C Fig. 12 ) Microgrfi Cmpione AS Kv 18J; ) Microgrfi Cmpione AS Kv 18J; c) Microgrfi Cmpione 3 Kv 28J; d) Microgrfi Cmpione 12 Kv 31J Fig. 12 ) AS Smple Microgrph Kv 18J; ) AS Smple Microgrph Kv 18J; c) Smple 3 Microgrph Kv 28J; d) Smple 12 Microgrph Kv 31J considerrsi comprili, e sono visiili i trtti di un mggiore plsticità e duttilità. Le Figg.12-12d mostrno le microgrfie dopo ttcco cido Nitl 2%. Le microgrfie del cmpione AS, come nche quelle degli ltri cmpioni (Fig. 12), sono rppresenttive di un microstruttur completmente mrtensitic: sono visiili disomogeneità provenienti dllo stto di prtenz. CONCLUSIONI Alterzione delle condizioni di prtenz ed nlisi di confronto I dti delle prove meccniche, l morfologi dell frttur e le microgrfie mettono ll luce differenti situzioni. Il ftto principle è il migliormento dell tencità di un microstruttur rigenert. L più chir evidenz è l incremento del vlore di resilienz proveniente d soluilizzzione e rigenerzione. L tempertur scelt h consentito un migliormento nell omogeneità, portndo in soluzione nell microstruttur gli elementi di leg fondmentli, cromo, molideno e vndio, indispensili per l resistenz cldo. L ricottur isotermic h determinto un nuov e necessri formzione di finezz microstrutturle. Questi due pssggi hnno quindi posto il mterile in uno stto che fcilit ll onific, cioè lo step finle del trttmento termico, il concreto migliormento delle proprietà dell cciio per rispondere gli stress di esercizio. È stto dimostrto che un tempertur di ustenitizzzione corrett di 1020 C non disciolte tutti i tipi di cruri provenienti dllo stto di fornitur, microgrfi 16 L tempertur di 520 C con tempi di permnenz lunghi non h un effetto deleterio sull resilienz, m enefico. Ciò ccde qundo si h un grdule, m modesto, clo dell durezz (cmpione AS solo onificto 44.1 HRC e 21J Avg. Vs. cmpione 7 con durezz 43.3 HRC e 29J Avg.). Per tempi più revi il mterile rimne molto stile: i vlori medi di resilienz del cmpione AS solo onificto e del cmpione N.1 10 ore 520 C sono comprili (cmpione AS 21J Avg. Vs. cmpione N.1 23J Avg, durezz invrit 44.1 HRC). È chiro perciò che l tempertur di 520 C determin con un fenomeno di iper-invenchimento l sol colescenz dei cruri già precipitti dopo il primo rinvenimento. Biliogrfi 1] J.H. Stuhl, A.M. Schindler. New mterils study of 5% chromium type Steel G T Detroid Mrzo ] ASM Hndook, Vol.4 3] D. Mttvelli, M.Pirovno, L.Cislghi. Acciio d lvorzione cldo H11 onificto: incidenz dell struttur e delle dimensioni del grno sull tencità. Convegno nzionle trttmenti termici ] H.K.D.H Bhdeshi, R.Honeycome. Steels : Microstructure nd Properties 5] C. Zener. Kinetics of the decomposition of ustenite. Trns. AIME, Vol.167, p.550 (1946) 6] A.Hultgren. Isotherml trnsformtion of ustenite. Trns. ASM, Vol.29, p.915 (1947) L Metllurgi Itlin - n. 2/2014

7 Trttmenti termici A study of the est compromise of the mechnicl properties of the hot work tool steels fter hrdening. Behviour of the toughness s effect of the long times t the typicl tempertures of the nitriding Keywords: Crides - Solution Anneling - Isotherml nneling - Toughness - Temper emrittlement The hrdening of the hot-work tool steels mkes stle the thermo-mechnicl ehviour due to the stress the prts for die-csting nd hot forming re sumitted to. The focus of this study is directed to ll the industrilly pplicle improvements coming from the het tretment in order to otin yield nd performnce tht meet expecttions despite of different supplying conditions. Tools nd moulds, fter het tretment nd mchining, re often nitrided. Regrdless the method, the nitriding sumits the prt to tempertures in the rnge of the tempering emrittlement for longer stys. The survey ws lso conducted to understnd how nd to wht extend the toughness of quenched nd tempered mteril, with the die-csting mould hrdness nd impct strength fetures, could e influenced y simulting the typicl temperture nd time used for the nitriding process. L Metllurgi Itlin - n. 2/