Analisi eseguite su alcuni casi di rottura dimostrano che gli errori in questi metodi di lavorazione hanno un incidenza.

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1 Indicazioni per la lavorazione Rottura degli utensili a causa di rigature L economicità della fabbricazione di prodotti industriali è determinata, tra l altro, dalla efficienza degli utensili impiegati. Essa viene fortemente influenzata da: condizioni costruttive (progettazione) scelta dei materiali configurazione impostazione tecnologia di produzione trattamento termico trattamento delle superfici lavorazione montaggio errori durante l impiego in fabbrica errori di comando temperature, raffreddamento errori di manutenzione errori nelle necessarie riparazioni saldatura inadeguata Poiché già nelle prime fasi dell iter produttivo degli acciai per utensili insorgono costi elevati (progettazione, materiali, lavorazioni ecc.) gli errori hanno per lo più come conseguenza sensibili perdite finanziarie. Questi tipi di utensili non vengono affatto impiegati (ritardi di produzione, penali) oppure conducono a sensibili riduzioni della durata (riparazioni). dimensioni errate bruschi cambi di sezione tacche a spigoli vivi (ad es. rigature di tornitura e rettifica, segni lasciati dalle punte per tracciare, cifre punzonate ecc.) Quanto più alta è la resistenza degli utensili tanto più elevata è la sensibilità all intaglio: quanto più elevato il valore di durezza scelto, tanto più accuratamente devono essere lavorate le superfici e i punti di cambio sezione degli utensili. Pertanto si dovrebbero prevedere raggi di curvatura più ampi possibile, che sarebbe più opportuno levigare. Lavorazione I metodi usati nella produzione degli utensili e degli relativi effetti sul materiale possono pregiudicare la durata degli utensili. Oltre ai metodi ad asportazione di trucioli (fresatura, piallatura, foratura, tornitura, rettifica) negli ultimi anni ha acquistato sempre più importanza la lavorazione ad elettroerosione per la produzione degli utensili. Analisi eseguite su alcuni casi di rottura dimostrano che gli errori in questi metodi di lavorazione hanno un incidenza. Elettroerosione I vantaggi essenziali dell elettroerosione rispetto ai metodi di lavorazione tradizionali consistono nella realizzazione di forme geometriche molto complesse in una sola fase di lavoro e nella lavorazione di materiali difficilmente lavorabili. Tuttavia spesso si dimentica che nella lavorazione per asportazione di truciolo vengono fortemente influenzate le superfici, specie a causa dell effetto termico, soprattutto quando si aumentano i parametri di lavorazione. Cambiamenti nella struttura tramite carbocementazione e la formazione di tensioni (tensioni termiche) pregiudicano la tenacità. Particolarmente nei materiali fragili possono aver luogo rotture, direttamente oppure nell impiego successivo, a causa della sovrapposizione delle tensioni dovute al trattamento termico. Un possibile rimedio è, in primo luogo, un elettroerosione adeguata per il tipo di materiale, vale a dire, una riduzione della potenza nei rispettivi livelli di elettroerosione. In tal modo si riduce, ad esempio, nella finitura il danno causato dalla sgrossatura. Una fase di finitura inadeguata serve solo a trattare cosmeticamente la superficie e a raggiungere la rugosità superficiale desiderata, ma non potrà eliminare mai completamente il danno subito dalla superficie. Ulteriori mig- Progettazione Da tanto tempo si sa che nella progettazione degli utensili si devono evitare spigoli vivi e grossi cambi di sezione, poiché in questi punti vengono a crearsi picchi di tensione che potrebbero superare di gran lunga il limite di snervamento. Ciò nonostante questo vecchio principio fondamentale della progettazione viene ancora oggi violato con una frequenza sorprendente. Le cricche e le rotture possono essere favorite dai seguenti fattori: V=1:2 2µm Rottura degli utensili a causa di errori di elettroerosione 5

2 Indicazioni per la lavorazione Rottura dell utensile causa intaglio liorie si possono ottenere tramite un successivo duplice rinvenimento o una lavorazione meccanica. Oltre al calo di tenacità si deve tener conto anche della composizione chimica modificata della superficie, poiché in tal modo non si può ottenere uniformità di fotoincisione, come richiesto in molti stampi plastica. Anche in questo caso si deve osservare ad esempio che la comparsa delle bandosità dipende dall intensità d asportazione impostata. Se, durante la fase di elettroerosione, ha luogo un contatto tra l elettrodo e l utensile, insorgono danni dalle conseguenze particolarmente gravi. Rettifica Anche nella rettifica la superficie viene sottoposta a forti sollecitazioni termiche. Ciò avviene particolarmente quando, a causa di mole di rettifica inadeguate (consumate), si lavora con una pressione troppo elevata o con un raffreddamento insufficiente. In tal caso la temperatura delle superfici potrebbe superare la temperatura di tempra del materiale, causando localmente una nuova tempra. A causa delle tensioni che vengono a crearsi, spesso si formano cricche da rettifica nella disposizione reticolare caratteristica. Trattamento termico Per riuscire a sfruttare il potenziale dell acciaio da utensili impiegato occorre un trattamento termico adeguato alla composizione dell acciaio, all impiego previsto e alle dimensioni del componente. Un trattamento termico inadeguato potrebbe mettere a rischio la funzionalità e le proprietà dell utensile. Si possono causare errori impostando valori di temperature e tempi errati, con atmosfere inadeguate e con condizioni di riscaldamento e raffreddamento errate. Ricottura di distensione La ricottura di distensione prima della tempra risulta conveniente, in quanto contribuisce a ridurre eventuali tensioni interne dovute al processo di lavorazione precedente. Le tensioni interne possono causare nel corso del successivo trattamento termico deformazioni e condurre a riprese costose. Dopo la lavorazione preliminare si dovrebbe eseguire, soprattutto negli utensili che hanno forme complesse, una ricottura di distensione a una temperatura di 6 65 [ C]. Il tempo di tenuta a questa temperatura dovrebbe essere almeno 2 ore e, negli utensili di dimensioni maggiori, almeno 1 ora ogni 5 [mm] di spessore delle pareti poi raffreddare in forno. Trattamento termico Riscaldamento Durante la fase di preriscaldo, fino al raggiungimento della temperatura di tempra, le zone interne ed esterne raggiungono la temperatura con una velocità diversa. La differenza di temperatura è tanto più elevata quanto più grande è l utensile e quanto più alta è la velocità di riscaldamento. La differenza di temperatura produce sollecitazioni da tensionamento nel nucleo, con conseguente rischio di formazione di cricche a causa della diminuzione della resistenza meccanica dovuta all aumento della temperatura. Particolarmente a rischio sono gli utensili di grosse dimensioni e di forme molto complesse in acciaio altolegato (minore conducibilità termica). Per evitare quanto più possibile la formazione di cricche si effettua un riscaldamento preliminare a più stadi. Il tempo di permanenza fino a raggiungere la temperatura nel primo e nel secondo stadio di preriscaldamento è rispettivamente mezzo minuto ogni 5 [mm] di spessore delle pareti inoltre, negli acciai da utensili altolegati con una temperatura di tempra superiore ai 9 [ C], il terzo stadio di preriscaldamento a circa 85 [ C] serve, oltre ai motivi già menzionati, a scio- Ricottura di distensione Preriscaldo Austenitizzazione Spegnimento Rinvenimento Temperatura di tempra* * Temperatura corrispondente alla scheda tecnica Nuova tempra a causa di errori di rettifica Temperatura Lavorazione di sgrossatura Lavorazione di finitura 6-65 [ C] 3 Preriscaldo** 1 [min/mm] a ~ 9 [ C] 2 Preriscaldo 1/2 [min/mm] a ~ 65 [ C] Bagno termale* Aria / Olio Temperatura di pareggiamento 1 h / 1 [mm] **Acciai con temperatura di austenitizzazione maggiore di 9 [ C] 1 rinvenimento* 2 rinvenimento* Ulteriori rinvenimenti* Grafico Sequenza temperature/tempi per il trattamento termico speciale di Thyrodur Raffreddamento lento in forno 1 Preriscaldo 1/2 [min/mm] a ~ 4 [ C] Tempo ~ 1 [ C] Aria Aria Aria 51

3 Rottura per sollecitazioni termiche a causa della eccessiva velocità di riscaldamento Pinza di bloccaggio in gliere una parte dei carburi. Per questo motivo il tempo di permanenza alla temperatura è doppio rispetto al primo stadio di preriscaldamento. Austenitizzazione Ogni trattamento termico richiede una determinata temperatura e un tempo di permanenza a seconda del materiale impiegato nell austenitizzazione affinché possano aver luogo le operazioni di trasformazione desiderate. Tipici errori si riscontrano se si scelgono temperature di tempra troppo elevate o tempi di permanenza troppo lunghi; può così verificarsi la crescita del grano e da questo scaturisce, congiuntamente a fusioni locali, una riduzione della tenacità. Temperature di tempra troppo basse e tempi di mantenimento troppo brevi causano un austenitizzazione solo parziale. In tal caso possono subentrare tensioni a causa dei diversi componenti strutturali e difficoltà nel raggiungimento della durezza necessaria. Trattamento termico Stampo in Matrice in 1. Tempra insufficiente Surriscaldamento con austenite residua Il diagramma riporta valori orientativi per il tempo di mantenimento alla temperatura di tempra dopo il raggiungimento della stessa sulla superficie dell utensile. Con l aiuto del grafico si possono rilevare anche i tempi di immersione nel bagno di sale. Tempo in minuti a = Spessore di parete Processo di tempra Per comprendere meglio le reazioni che hanno luogo nel corso della tempra, nelle schede tecniche dei materiali sono riportati i diagrammi continui tempo-temperatura-trasformazione. Spessore di parete in [mm] (Sezione da temprare) Acciai altolegati (Acciai ledeburitici al 12% di cromo) Acciai per utensili non legati, basso legati e mediamente legati Tempo di permanenza dopo il raggiungimento della temperatura di tempra sulla superficie dell utensile. Da essi si può leggere lungo le diverse curve di raffreddamento che cominciano dalla temperatura di tempra e raggiungono la temperatura ambiente 52

4 Indicazioni per la lavorazione quali sono i componenti strutturali (in %) ottenuti alla velocità di raffreddamento data. La rispettiva velocità di raffreddamento è indicata in [ C/min]. per le curve di raffreddamento ovvero come parametro in caso di raffreddamento molto rapido (parametro di raffreddamento = tempo di raffreddamento da 8 a 5 [ C] espresso in secondi [s] divisi per 1). Per evitare, quanto più possibile, anomalie agli utensili a causa di un trattamento termico errato delle singole marche, sulle schede dei materiali sono riportate precise indicazioni sul trattamento termico delle singole marche d acciaio. Per il trattamento termico degli acciai da utensile in generale vale la seguente regola base: Nel corretto trattamento termico delle singole marche d acciai da utensile non è possibile ridurre i tempi né cambiare sensibilmente le temperature ma si deve assolutamente rispettare l intera sequenza del ciclo. La presa di durezza in tempra delle singole qualità di acciaio è influenzata, oltre che dalla percentuale di carbonio, dalla sezione. I valori di durezza indicati sulle schede tecniche dei materiali dopo la tempra/rinvenimento si riferiscono a una sezione quadrata di 3 [mm] di lato. Nel seguente diagramma è indicata la penetrazione di tempra, per una durezza minima di 64, 62, 6 e 58 HRC, in base al diametro del pezzo. Spegnimento Lo spegnimento degli utensili è la fase più critica del processo di trattamento termico. Le fasi di spegnimento devono raggiungere, da una parte, le velocità critiche di raffreddamento per l indurimento in base al tipo di materiale, d altra parte tuttavia, devono svolgersi quanto più lentamente possibile in modo da ridurre al minimo i rischi di deformazione e incrinature da tensione (ripresa). Penetrazione di tempra in funzione del diametro del pezzo in acciaio per lavorazioni a freddo Thyrodur Profondità di tempra a 64 HRC Profondità di tempra a 62 HRC Come nel riscaldamento, anche in questo caso il rischio è massimo negli utensili dalle forme più complesse. Ciò vale in particolare quando subentrano altri errori. Sono tipiche le incrinature dopo una tempra eseguita ad una temperatura eccessiva, infatti, in questo caso, vengono provocate tensioni dovute al calore, alla trasformazione e alla presenza di diversi componenti strutturali. Particolarmente svantaggioso è il raffreddamento fino alla temperatura ambiente a causa del rischio delle possibili tensioni che possono sopravvenire. Gli utensili vengono opportunamente raffreddati solo fino a circa 8 [ C], quindi portati alla compensazione e infine fatti rinvenire direttamente. Profondità di tempra a 6 HRC Esempio Mezzo di spegnimento Aria Profondità di tempra a 58 HRC La penetrazione di tempra per un utensile di diametro 12 [mm] in Thyrodur si deve rilevare per una durezza di 64 HRC e tempra in olio. Nel grafico in alto a sinistra, l intersezione tra la linea verticale del diametro 12 [mm] e la curva di Thyrodur nella tempra in olio produce una penetrazione di tempra di 3 [mm] (letta sull asse destro). Dall intersezione tra la curva di Thyrodur e la retta inclinata di 45 si ricava il diametro temprabile a cuore, da leggere sull asse inferiore: 1 [mm] tondo. Il pareggiamento è importante per ottenere la trasformazione completa della martensite nell intera sezione, altrimenti si rischia di causare una cricca da raffreddamento dopo il rinvenimento. Rottura da tensioni interne causate da un raffreddamento troppo veloce 53

5 Per evitare il pericolo di cricca si consiglia di eseguire una tempra a gradini nei casi critici. In tal modo si riducono quanto più possibile tensioni termiche e si raggiunge una trasformazione quasi omogenea tra il bordo e la parte centrale. Rinvenimento Le fasi di rinvenimento sono necessarie per impostare negli utensili la giusta combinazione tra resistenza e tenacità. In tal modo si riduce, da una parte, la tensione della struttura temprata e dall altra si riducono le tensioni interne dovute alla tempra (tensioni termiche). Un rinvenimento insufficiente (tempo, temperatura, frequenza) può quindi favorire un successivo insuccesso. Particolarmente critici sono gli acciai che dopo tempra presentano tracce di austenite residua che si può trasformare durante l utilizzo dello stampo inducendo a tensioni. Per evitare errori, si dovrebbe tener conto delle indicazioni riportate sulle schede tecniche dei materiali sul trattamento di rinvenimento adeguato al materiale, e non tentare di risparmiare proprio qui il tempo perduto. Il tempo di tenuta a temperatura di rinvenimento è di 1 ora ogni 2 [mm] di spessore delle pareti, comunque non meno di 2 ore. Quindi gli utensili si raffreddano in aria e vengono poi sottoposti ad una prova di durezza. Atmosfere del forno Nelle normali operazioni del trattamento termico (tempra/rinvenimento) si parte in genere dal presupposto che l atmosfera del forno venga adeguata in modo che non abbia luogo alcuna carburazione o decarburazione superficiale. Ciò nonostante la pratica ci mostra che nelle anomalie del processo hanno luogo ripetutamente fasi di carburazione e decarburazione indesiderate. Negli acciai mediolegati, la decarburazione superficiale produce una struttura mista che, al momento della tempra, causa tensioni interne, dovute ai Lama di granulazione in 1. Forte decarburazione con riduzione della durezza Stampo per coniatura insufficiente rinvenuto Stampo per coniatura dopo due cicli di rinvenimento 1,5 h a 55 [ºC] Durezza in HV, Austenite residua a causa di rinvenimento insufficiente diversi componenti strutturali, e spesso incrinature. Gli acciai più altolegati mostrano spesso solo un impoverimento di carbonio, con conseguenti riduzioni nelle prestazioni. In casi estremi, tuttavia, si può avere anche qui una decarburazione totale. Una carburazione indesiderata vicino alla superficie influisce sullo stato strutturale (trattamento termico errato) e rappresenta quindi un ulteriore rischio di incrinature. Per Andamento della durezza in una sezione decarburata,2,4,6,8 1, Distanza dal bordo in [mm] 54

6 Indicazioni per la lavorazione evitare ciò, il materiale da temprare nei forni a muffola si deve proteggere imballandolo, mentre negli impianti a gas inerte si deve impostare nel gas un livello C (carbonio) corrispondente al contenuto di C del lotto da trattare. Lo stesso dicasi per i bagni di sale. Questi problemi non si riscontrano soltanto negli impianti sotto vuoto. Trattamento delle superfici Carbocementazione Nella carbocementazione voluta si mira di regola a combinare un cuore tenace con una superficie più resistente all usura. L arricchimento di carbonio in superficie richiede un adeguata riduzione della temperatura di tempra, altrimenti si possono causare elevati residui di austenite anche in caso di rinvenimento corretto. Questi potrebbe aumentare il rischio di incrinature oppure ridurre la durata dell utensile. Un ulteriore problema si ha, in caso di elevati residui di austenite, nella lucidatura di utensili a causa della tendenza alla formazione della buccia d arancia. Se invece si lavora con un elevato contenuto di carbonio, questo precipita al bordo del grano austenitico favorendo così il formarsi di cricche e l infragilimento del materiale. Un possibile rimedio è rappresentato, in questo caso, da un processo adeguato al tipo di materiale. Esso prevede sia la regolazione del livello di carbonio che la sequenza tempo/temperatura. Nitrurazione Come nella carbocementazione, anche nella nitrurazione si ottiene uno strato superficiale duro che serve a proteggere gli utensili soprattutto dall usura. Normalmente non si tiene conto della riduzione della tenacità che avviene anche in caso di nitrurazione ottimale. Le conseguenze sono frequenti sfogliature nella zona marginale durante l impiego. Prima della nitrurazione si devono pulire e sgrassare gli utensili. La nitrurazione si può effettuare in bagno di sale, gassosa o al plasma. La durezza della superficie nitrurata raggiunge, a seconda della combinazione dell acciaio, i 11 HV. Un ulteriore errore sostanziale consiste nel fatto che, per risparmiare tempo e denaro, si combinano insieme i trattamenti di rinvenimento e di nitrurazione. Con un procedimento del genere si possono causare alterazioni dimensionali e deformazioni, praticamente incorreggibili a causa della durezza dello strato di rivestimento ottenuto. Saldatura di riparazione Gli acciai da utensili appartengono, a causa della struttura della loro lega, a quei tipi di acciaio in cui la saldatura rappresenta un certo rischio. Durante il raffreddamento della saldatura vengono a crearsi tensioni dovute al calore ed alle trasformazioni strutturali e in grado di produrre cricche. Modifiche costruttive, la naturale usura o anomalie degli utensili a causa di rottura o cricca rendono spesso inevitabile la riparazione tramite saldatura. Durante la saldatura si dovrebbero osservare le seguenti regole fondamentali: Pulire accuratamente le superfici, asportare la zona criccata con una mola così da formare un canale a U Preriscaldo completo dell utensile ad una temperatura maggiore di quella di formazione della martensite (v. linea Ms sul diagramma t t t della schede tecnica dei materiali) per evitare trasformazioni strutturali durante la saldatura Acciai altolegati: riscaldare fino a temperatura di tempra (austenitizzazione), raffreddamento fino a una temperatura maggiore della temperatura di inizio trasformazione della martensite Saldatura (eventuale riscaldo intermedio) Impiego di elettrodi adeguati al il materiale di base Il metodo di saldatura TIG offre il vantaggio di una struttura più fine essendo, rispetto agli elettrodi di saldatura rivestiti, il riscaldamento inferiore e la velocità di raffreddamento maggiore Per mantenere la deformazione più bassa possibile, in caso di saldatura su zone più ampie, eseguire la saldatura a tratti che saranno uniti in seguito. Per ridurre le tensioni dovute al restringimento si dovrebbe martellare la linea di saldatura Raffreddamento degli utensili dopo la saldatura fino a circa 8 1 [ C] e successivo immediato rinvenimento fino alla durezza di utilizzo 55

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