La criticità dello stato segregativo nei trattamenti termici

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1 Effetto del ciclo produttivo su segregazioni e bandeggi La criticità dello stato segregativo nei trattamenti termici Andrea Zanotti Ramona Sola - Gruppo Proterm, Calderara di Reno - Università di Modena e Reggio Emilia, Modena Trattamenti Termici e Metallografia della Associazione Italiana di Metallurgia 27 settembre

2 Introduzione I trattamenti termici inducono delle deformazioni sui pezzi trattati dovute principalmente alle trasformazioni strutturali. Le deformazioni dipendono dalle caratteristiche dell acciaio, dalla geometria del componente, dal mezzo di tempra e dai parametri di trattamento, pertanto una adeguata scelta del materiale (banda Jominy ristretta, basso tenore inclusionale, omogeneità microstrutturale e compositiva), una corretta progettazione del componente e ottimizzando il processo produttivo possono limitare le deformazioni post trattamento. 2

3 Tra i fattori che determinano le deformazioni dopo il trattamento termico, determinante risulta la qualità dell acciaio in termini di tenore inclusionale, omogeneità compositiva e microstrutturale. Acciai che presentano una struttura a bande si dilatano in modo anisotropo determinando l insorgenza di forti tensioni e deformazioni del materiale. Con un adeguato trattamento termico preliminare, ad esempio una ricottura isotermica, è possibile raggiungere l omogeneità della microstruttura e della composizione chimica. Nella pratica industriale non è praticamente possibile raggiungere una completa omogeneità nella composizione chimica e nella microstruttura per i tempi eccessivamente lunghi di trattamento che causerebbero, tra l altro, anche un eccessivo ingrossamento del grano. Con la ricottura classica o con la bonifica non è possibile eliminare le microsegregazioni a carico degli elementi di lega (Ni, Cr, Mo, ), ma riesce ad agire soltanto sul carbonio, unico elemento che va completamente in soluzione con l austenitizzazione. 3

4 Solitamente, alla presenza di struttura a bande negli acciai sono spesso associate altre anomalie oltre alle deformazioni post trattamento, procedendo per ordine la lavorabilità all utensile, le caratteristiche di tenacità a frattura in presenza di sollecitazioni trasversali rispetto alla direzione delle bande. L influenza della struttura a bande sulla lavorabilità, varia con il tipo di lavorazione considerata, più precisamente la larghezza delle bande ha un ruolo importante e negativo per la tornitura e fresatura e quindi per il grado di finitura della superficie. La foratura e la brocciatura sono molto sensibili per problemi di strappo a zone con strutture troppo malleabili come la ferrite che con la presenza di bande larghe è un caso tipico. 4

5 Nell ambito dei trattamenti termici, è di fondamentale importanza la scelta di un adeguato trattamento termico preliminare che possa limitare gli effetti della struttura a bande sulla suscettibilità alle cricche dopo la tempra, sulla lavorabilità, sulla difficoltà di mantenere forma e dimensioni e sull ottenimento delle proprietà meccaniche e della microstruttura attese. Gli inconveniente di una microstruttura a bande sulla lavorabilità alle macchine utensili di un acciaio sono: notevole vibrazione dell utensile, l utensile tende ad impastarsi nel materiale al passaggio nelle zone più tenere e duttili e ad usurarsi molto quando attraversa le bande più dure, difficoltà nel taglio perché la struttura del materiale tende a deviare la punta con andamenti preferenziali. Un buon trattamento termico preliminare può migliorare la lavorabilità alle macchine utensili dell acciaio, a fronte di miglioramento generale della microstruttura. Di seguito si riportano alcuni esempi di criticità riscontrate durante i trattamenti termici riconducibili a fenomeni di bandeggiamento. 5

6 Dati Sperimentali Caso 1: anello di un cuscinetto temprato e rinvenuto Fig. 1 Anello conico di un cuscinetto a rulli 6

7 Dopo tempra sottozero e rinvenimento si sono riscontrare delle rotture di anelli analoghi a quello riportato in Fig. 1 fabbricati in 100Cr6. All attacco metallografico si osserva che il materiale presenta un evidente bandeggiamento (Fig. 2) e una distribuzione non omogenea dei carburi anche grossolani (Fig. 3). Fig. 2 Microstruttura dopo attacco metallografico con Nital2. 200x 7

8 Fig. 3 Presenza di carburi grossolani e distribuiti in modo non uniforme. Attacco Nital2. 100x Dagli esami effettuati si può ritenere che la rottura sia di carattere tensionale. Tali tensioni, normalmente presenti durante tempra sottozero, specialmente in acciai come il 100Cr6, sono accentuate dalla presenza di una microstruttura bandeggiata ed non omogenea. 8

9 Caso 2: anello di cuscinetto in acciaio 100Cr7 Fig. 4 anello da cuscinetti in 100Cr7 che presenta numerose cricche l particolare riportato in Fig. 4, dichiarato in 100Cr7, dopo tempra in pressa e rinvenimento presenta deformazioni e cricche riconducibili ad uno stato tensionale aggravato dalla presenza di una microstruttura bandeggiata (Fig. 5). La microstruttura è costituita da martensite rinvenuta con carburi fini ed omogeneamente distribuiti nel materiale e precipitati lungo i bordi grano alternata a strutture miste di transizione. Tra le bande con differente microstruttura si rilevano valori di microdurezza differenti (Fig. 6). 9

10 Fig. 5 Microstruttura a bande. Nital2. 50x Fig. 6 Microdurezza Vickers nelle bande con differente microstruttura 10

11 Caso 3: corona conica Fig. 7 Attacco macroscopico della corona circolare esaminata in cui è evidente la fibrosità della microstruttura Si riporta il caso di studio di una corona conica in acciaio da cementazione che dopo trattamento termico di tempra sotto pressa presenta una notevole deformazione e distorsione di forma rispetto alle tolleranze richieste. Dall osservazione macroscopica dopo attacco si evidenzia una microstruttura particolarmente fibrosa e bandeggiata (Fig. 7). L osservazione al microscopio ottico della sezione longitudinale (Fig. 8 e Fig. 9) e trasversale (Fig. 10) conferma la presenza di bande di ferrite alternate a bande di perlite. L origine del bandeggiamento è da ricondurre ad una composizione chimica non uniforme tra le bande con differente microstruttura. L analisi al microscopio elettronico delle sezioni trasversale e longitudinale mostra che le bande prevalentemente perlitiche presentano una concentrazione di elementi di lega superiore rispetto alle bande prevalentemente ferritiche (Fig. 11). 11

12 Fig. 8 Sezione longitudinale. Nital2. 50x Fig. 9 Sezione longitudinale. Nital2. 200x Fig. 10 Sezione trasversale. Nital2. 50x 12

13 Composizione media ad ampio spettro Cr = 1.09 Mn = 1.11 Ni = 0.81 Composizione media bande perlitiche Cr = 1.24 Mn = 1.34 Ni = 1.04 Composizione media bande ferritiche Cr = 1.09 Mn = 0.95 Ni = 0.85 Fig. 11 Micrografia SEM-SE con microanalisi della sezione longitudinale Con un adeguato trattamento termico preliminare si è verificato che si può migliorare l omogeneità della microstruttura, nonostante le disomogeneità nella composizione chimica, e contenere così le deformazioni e le distorsioni del componente dopo tempra. 13

14 Caso 4: albero deformato dopo trattamento termico 32 mm 24 mm Fig. 12 Segregazione al centro della barra visibile dopo attacco macroscopico Si riporta il caso di studio di un albero riduttore, in acciaio da cementazione, che dopo TT di cementazione, tempra e rinvenimento si è deformato in modo anomalo. All attacco macroscopico si osserva la presenza di una macrosegregazione nel nocciolo centrale (Fig. 12). All osservazione microscopica si rileva la presenza di inclusioni di MnS orientate lungo la direzione di laminazione. L analisi metallografica della sezione evidenzia una differente microstruttura tra cuore e superficie: in superficie si osserva una microstruttura martensitica a bande con composti di transizione (Fig. 13), a cuore una microstruttura a bande fini costituite da bainite, ferrite aciculare e carburi, e da ferrite tendenzialmente poligonale, strutture miste di transizione e carburi (Fig. 14). Si può quindi concludere che la microstruttura non uniforme e l asimmetria del nocciolo centrale hanno contribuito in modo determinante alle deformazioni riscontrate. 14

15 Fig. 13 Superficie. Con attacco chimico. 50x Fig. 14 Nucleo. Con attacco chimico. 500x 15

16 Caso 5 Si vuole dare evidenza delle variazioni strutturali, partendo da un materiale grezzo di stampaggio (fig. 15 e 16 ), eseguendo una bonifica di lavorabilità (fig. 17 e 18 ) e una ricottura isotermica (fig. 19 e 20 ). Come si può notare l eterogeneità strutturale e le segregazioni evidenti nel materiale grezzo nelle due colate prese in esame, sono rimaste presenti, seppure con evidenza metallografica diversa, dopo l esecuzione dei due trattamenti preliminari eseguiti con cicli termici standard. Fig.15 Fig. 16 GREZZO Colata Durezza: 290 HB 1-GREZZO Colata Durezza: 270 HB 16

17 Bonificato Durezza: 195 HB Fig.17 1-Bonificato Fig. 18 Durezza: 196 HB Ricotto Durezza: 150 HB Fig.19 1-Ricotto Durezza: 145 HB Fig

18 Colata SAE 8620H Corona conica deformata dopo CMT + T. bilancino Colata SAE 8620H Corona conica O.K. dopo CMT + T. bilancino 18

19 19

20 ALBERO BONIFICATO in acciaio 42CrMo4 Problemi di lavorabilità Durezza a metà raggio : HB (R N/mm2 dedotto ) Esame micrografico : struttura a bande mista sorbite-bainite (foto 100X e 2 500X) Microdurezze eseguite su entrambe le strutture su sezione ricavata in prossimità della filettatura In zona sorbitica : HV1/ (R N/mm2 dedotto ) In zona bainitica : HV1/ (R N/mm2 dedotto ) COMMENTO La scarsa lavorabilità del materiale in fase di foratura e filettatura è dovuta allo stato metallurgico del pezzo. Si potranno migliorare le condizioni di taglio del maschio effettuando rinvenimento idoneo ad abbassare la durezza della struttura sorbitica. Inoltre si dovrà verificare che la foratura sia stata eseguita correttamente, poiché il tipo di struttura del materiale potrebbe avere deviato la punta. Per la produzione di altri lotti è opportuno considerare che la richiesta di elevata durezza superficiale è potenziale causa del ripetersi del fenomeno con l utilizzo di acciai con struttura a bande 20

21 21

22 Le fasi descritte nel processo di fabbricazione di un componente meccanico, anche se vengono sottoposte a controlli specifici nei vari passaggi, difficilmente evidenziano difetti e anomalie tali da giustificare scarti durante i processi stessi. Tutte comunque concorrono all ottenimento del risultato finale sia per gli aspetti metallurgici che per quelli dimensionali. In particolare deformazioni non prevedibili derivanti da strutture eterogenee, segregazioni o disposizione di fibre non ottimali e costanti, che si evidenziano in modo importante dopo il TT finale, possono essere causa di scarti veri e propri e spesso anche di discussioni per ricercare la causa o responsabilità dell insuccesso. Tutto questo senza dubbio può avere un incidenza sui costi del manufatto se non conosciuto o non affrontato nei tempi opportuni. 22

23 Albero con flangia con evidenti deformazioni dopo T.T. Zona raccordo flangia x50 Zona raccordo flangia x100 Gambo x50 Zona lontano flangia dopo ricottura x200 23

24 Acciaio 2343 dopo tempra e doppio rinv. Presenza di microcriicche superficiali Acciaio 2343 barra diam.320 stato fornitura 24

25 Stato di ricottura con strappi di lavorazione Misura della profondità effiicace di cmt. Differenza di profondità Eterogenità struttura - microdurezze 25

26 Albero 40NiCrMo7 bonificato d 150: superf. Metà raggio Centro Caratteristiche meccaniche non coformi 26

27 Semiasse in acciaio 36NiCrMo16 Bonificato HRC Superfice di frattura fibrosa con indicazioni di rottura per torsione Marten. rinv. con eterogenità e inclusioni Martensite e zone segregate con inclusioni 27

28 Presenza di Bande e Segregazioni Lavorazione a caldo STAMPAGGIO (Struttura eterogenea) PROCESSO DI FABBRICAZIONE DI UN COMPONENTE MECCANICO Struttura omogenea Lavorazione a caldo STAMPAGGIO (Struttura omogenea OK) T.T preliminare Ricottura-Bonifica-Normalizzazione/Doppio TT T.T preliminare Ricottura-Bonifica-Normalizzazione T.T mirato per migliorare la struttura (Struttura metallografica migliorata omogeneità) T.T Standard (Struttura metallografica eterogenea con evidenti bande) Struttura metallografica omogenea Lavorazione all utensile (Tensioni dovute al taglio e geometria pezzo) Lavorazione all utensile (Tensioni di taglio, geometria e struttura eterogenea) Lavorazione all utensile (Tensioni di taglio, Vibrazione, geometria, grado di finitura più grossolano e struttura eterogenea) T.T FINALE CMT+TMP, TMP, NT (Struttura Metallurgica omogenea) CARAT. MECC. Caratteristiche meccaniche ridotte rispetto allo standard e comunque diverse tra longitudinale e trasverso T.T FINALE CMT+TMP, TMP, NT METALLURGICHE E Struttura eterogenea in funzione delle bande DEFORMAZIONI Distorsioni dimensionali, tensioni da T.T aumentate da eterogeneità CARAT. MECC. METALLURGICHE DEFORMAZIONI Caratteristiche meccaniche ridotte solo rispetto al senso delle fibre Struttura omogenea Distorsioni e tensioni in funzione della geometria del pezzo e del mezzo di tempra ELEMENTI DA VALUTARE PER RIDURRE (NON ELIMINARE) L INCIDENZA, NEGATIVA, DELLE BANDE/SEGREGAZIONI 1) Rapporto di Riduzione all atto della fabbricazione acciaio 2) % di miglioramento che si ottiene con T.T preliminare mirato 3) Scelta del tipo di T.T preliminare in funzione del grado di bandosità e geometria del pezzo 4) Importanza delle caratteristiche di colata (inclusioni-temprabilità) correlata alla presenza delle bande 28

29 -166 Mpa -393 Mpa +202 Mpa +344 Mpa GREZZO Colata Durezza: 290 HV1 Bonificato Durezza: 195 HB Bonificato e CMT 0.6 mm Bonificato e CMT 1.2 mm -195 Mpa -347 Mpa +223 Mpa +395 Mpa 1-GREZZO Colata Durezza: 270 HV1 1-Bonificato Durezza: 196 HB 1-Bonificato e CMT 0.6 mm 1-Bonificato e CMT 1.2 mm 29

30 -166 Mpa -345 Mpa -67 Mpa +293 Mpa GREZZO Colata Durezza: 290 HV1 Ricotto Durezza: 150 HB Ricotto e CMT 0.6 mm Ricotto e CMT 1.2 mm -195 Mpa -393 Mpa +50 Mpa +362 Mpa 1-GREZZO Colata Durezza: 270 HV1 1-Ricotto Durezza: 145 HB 1-Ricotto e CMT 0.6 mm 1-Ricotto e CMT 1.2 mm 30

31 Prima di passare alle conclusioni di questa esposizione, per rimarcare l importanza dell argomento, vorrei riportare alcune frasi estrapolate da report di analisi su cause di rottura per fatica di organi meccanici. Albero in acciaio inox. La rottura dell albero è da attribuirsi principalmente a due fattori agenti in maniera concomitante e sinergica : il primo di carattere geometrico ed il secondo di tipo strutturale. La frattura avvenuta in una riduzione di diametro con intensificazione delle tensioni accentuate da una microstruttura con presenza di ferrite. Le stringhe di ferrite, oltre a rappresentare una discontinuità strutturale, risultano punti di innesco della frattura. Asta comando sterzo La presenza di discontinuità strutturali (struttura a bande e inclusioni) pur non essendo la causa del cedimento hanno favorito la propagazione della rottura. Albero per pompa Lo stato microstrutturale della lega pur risultando regolare per il tipo di materiale e TT subito, presenta delle discontinuità e delle inclusioni di notevoli dimensioni. Con tutta probabilità l innesco della frattura è da attribuirsi alla presenza di inclusioni in aree discontinue affioranti in superficie. 31

32 RICERCA è L ESPERIENZA del trattamentista per risolvere le varie tipologie di problemi che compaiono al momento del TT di un componente. I COSTI preventivi di realizzazione di un componente spesso non tengono conto di situazioni anomale come quelle che possono derivare da un materiale con strutture a bande. I PREVENTIVI DI COSTO possono prevedere scelte di acciai qualitativamente adeguati, con restringimento delle caratteristiche standard, oppure a cicli speciali di TT, quali doppi cicli di tt preliminari o allungamenti dei tempi, e utilizzo di cicli ed olii mirati, quali olii caldi tempre con soste o tempre in stampo, nei tt finali. 32

33 Conclusioni In questo studio si sono riportati alcuni esempi di non uniformità riscontrate dopo il trattamento termico riconducibili ad una microstruttura non omogenea bande. L esperienza sul campo ha evidenziato che la scelta di un buon trattamento termico preliminare può apportare benefici alla microstruttura, alla lavorabilità e in parte anche alle caratteristiche meccaniche e alle deformazioni post trattamento termico, non eliminando completamente il bandeggiamento. I trattamenti termici preliminari, mirati all eliminazione del bandeggiamento, quali ricottura, bonifica o entrambi, prevedono tempi di permanenza e utilizzo particolare di impianti non sempre sostenibili economicamente. Le deformazioni da trattamento termico, principalmente legate alla geometria del pezzo e spesso esaltate dalle caratteristiche metallurgiche dell acciaio, hanno indotto i trattamentisti ad utilizzare accorgimenti tecnici e tecnologici quali: controllori di processo, oli di tempra caldi, tempra in pressa. Nonostante questi accorgimenti non è possibile individuare una regola generale che individui il trattamento termico preliminare ottimale, ma occorre progettare un trattamento ottimale per ogni componente. 33

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