Case history: applicazione del diagramma Gerber-Wyss per prevedere la durezza superficiale di un tondo bonificato

Vi è successo mai, di disattendere un risultato richiesto su un processo standard di bonifica, pur avendo verificato tutte le variabili (temperatura di tempra, controllo della atmosfera carburante, tipologia di materiale, ecc ) e per una richiesta di 470 HB, ottenere dopo tempra una durezza che non arriva nemmeno a 400 HB?

Vi è successi mai, di acquistare un materiale certificato, di altissima qualità, e non riuscire ad ottenere le proprietà meccaniche desiderate dopo trattamento termico?

Analizziamo il caso di 3 colate diverse di acciai per molle:

Le caratteristiche sono una stessa tipologia di pezzo (stessa sezione⌀ 45 mm) prodotto con due materiale diversi, il 56Si7 (colata N°1 e colata N°2) e il 56SiCr7 (colata N°3).

Si è preferito eseguire la prova in una stessa carica onde evitare variazioni delle condizioni di processo.

Analisi chimica e temprabilità Jominy

Colata 1: 55Si7

TEST JOMINY (HRC):

Colata 2: 55Si7

TEST JOMINY (HRC):

Colata 3: 55Si7

TEST JOMINY (HRC):

Come si può osservare dalle analisi chimiche delle diverse colate, le percentuali di elementi di lega e le corrispondenti curve Jominy rientrano nei parametri prestabiliti come minimi e massimi. Questo dovrebbe tranquillizzare il cliente che compra una gran partita di materiale per produrre dei pezzi in gran scala.

Sorpresa!

Risultati dopo tempra:

Colata 1: 55Si7 = HB 352-415 PARI A 121 e 143 Kg/mm2

(SOTTO LA RICHIESTA ATTESA DI 460 – 490 HB) NO

Colata 2: 55Si7 = HB 555 PARI a 197 kg/mm2

(SOTTO LA RICHIESTA ATTESA DI 460 – 490 HB) NO

Colata 3: 56SiCr7 = HB 514 PARI A 181 Kg/mm2

(SOTTO LA RICHIESTA ATTESA DI 460 – 490 HB) NO

Le colate 2 e 3, soddisfano la richiesta invece la colata 1 resta al disotto già prima del rinvenimento…
ma si poteva prevedere un risultato del genere?

Introduzione al lavoro di Grossman, curve di Lamont e il diagramma Gerber-Wyss

Semplificando molto le cose, la ”traduzione” della prova di temprabilità Jominy è un processo fondamentale. Esiste una relazione fra due punti di una barra di stesso materiale dove si presume che la velocità di raffreddamento espressa in °C/sec sia la stessa. Questa relazione è importante per paragonare la velocità di raffreddamento della provetta Jominy ad una profondità Ji, con la velocità di raffreddamento di un barrotto con diametro X in una profondità Y. Questa stessa velocità comporta una stessa struttura di trasformazione ovvero una % di martensite trasformata uguale in entrambi i campioni, ovvero stessa durezza HRC. In questo modo possiamo anticipare quale durezza raggiungerà un cilindro ad esempio di diametro 45 mm temprato in olio a 70 °C (prendendo semplificatamene H=0,4 pollici ^-1 per un olio di drasticità media) tramite il diagramma di Gerber-Wyss.

Questo diagramma serve per tracciare la curva in U (variazione di durezza sulla sezione) di un cilindro di diametro definito: sull’asse delle ordinate si legge il diametro del nostro cilindro, si traccia una parallela alle ascisse fino ad incontrare la linea tratteggiata, in corrispondenza alla superficie del cilindro. Di seguito si segue la linea continua più vicina e ogni volta che incrocia la linea tratteggiata (punti della curva U del nostro cilindro) si va a cercare l’intersezione con l’asse delle accise. Ogni punto dell’ ascissa è il corrispondente punto di temprabilità Jominy.

Applichiamo la teoria ai nostri campioni:

Colata 1

In corrispondenza con la prova Jominy della Colata numero 1:

TEORICO: Valore di durezza a distanza 13 mm del campione Jominy = 42,5 HRC pari a 395 HB sul nostro tondo di diametro 45 mm

PRATICO: Dopo tempra: Colata 1: 55Si7 = HB 352-415 PARI A 121 e 143 Kg/mm2

In modo analogo analizziamo i risultati teorici tramite il diagramma Geber-Wyss per le colate 2 o 3:

Colata 2

TEORICO: Valore di durezza superficiale 51 HRC pari 505 HB

PRATICO: Dopo tempra Colata 2: 55Si7 = HB 534 PARI a 189 kg/mm2

Colata 3

TEORICO: Valore di durezza superficiale intorno a 50 HRC pari a 490 HB.

PRATICO: Dopo Tempra Colata 3: 56SiCr7 = HB 514 PARI A 181 Kg/mm2

Conclusione:

I dati ottenuti dalle prove empiriche riscontrano un risultato non esatto, ma simile e proporzionale a quelli teorizzati dalle curve di Gerber-Wyss.

Questa analisi è indispensabile per poter acquistare il materiale con consapevolezza: il cliente con il certificato di una colata potrà valutare il risultato raggiungibile post trattamento, per evitare spiacevoli sorprese come nel caso della colata 1.

Bibliografia:

[1] I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensili Volume 1 – metallurgia di base – Cibaldi Dr. Cesare

[2] ASM Metals HandBook Volume 04 – Heat Treating

[3] http://www.vfioraso.it/4anno/aula_digitale/pagine_htm/data/1/curve_u.pdf

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