Transcript Composizione degli acciai da utensili considerati

PRINCIPALI CAUSE DEI DIFETTI DEGLI UTENSILI
Il danneggiamento precoce degli utensili è dovuto a uno
o più delle seguenti macro cause fondamentali:
1. l’errata o impropria progettazione;
2. il tipo non idoneo e/o insufficiente qualità dell’acciaio
scelto;
3. le procedure di fabbricazione inaffidabili o errate;
4. i trattamenti termici errati o mediocri;
5. la rettifica di finitura eseguita senza alcuna precauzione;
6. l’uso scorretto e la manutenzione non eseguita o condotta senza rispettare le regole di buona prassi.
Esse sono interdipendenti, come gli anelli di una catena,
e l’insufficienza anche di una sola può portare al danneggiamento precoce, esattamente come l’anello più debole.
Per ottenere il massimo rendimento di un utensile bisogna
minimizzare tutti i fattori che possono favorirne il potenziale danneggiamento.
Sapere che la progettazione, il tipo e qualità dell’acciaio
scelto, le procedure di fabbricazione, i trattamenti termici,
la rettifica di finitura e le condizioni d’uso e manutenzione
sono le fonti principali del potenziale danneggiamento degli
utensili non significa esser certi di trovare la vera causa del
danneggiamento di un utensile, perché una fonte può generare un danneggiamento tipico di un’altra, che lo mette
chiaramente in evidenza e spesso se ne assume l’errata responsabilità. Per esempio, evidenti cricche di rettifica possono dipendere dall’insoddisfacente procedura di rettifica o
da un errato trattato termico, tale da rendere l’acciaio così
sensibile alle cricche di rettifica da essere assolutamente
non rettificabile. Un altro esempio è la classica rottura in
tempra di un utensile con angoli vivi (non raccordati). In
questa circostanza, è difficile stabilire se l’utensile si sia rotto per errato trattamento termico, per scadente progettazione o per la scelta errata del tipo d’acciaio.
Conoscere e classificare i fattori che influenzano le prestazioni degli utensili è utile per definire le loro relazioni e
per indicare quali zone degli utensili siano statisticamente
più coinvolte dal danneggiamento.
Per garantire una durata in servizio accettabile e per minimizzare le avarie premature degli utensili è indispensabile
controllare le seguenti fasi o condizioni di progetto, fabbricazione e impiego, tenuto conto che molte sono interdipendenti:
• il progetto dell’utensile deve essere compatibile, per
forma e geometria, con il processo di produzione in cui
sarà usato l’utensile e il tipo di pezzi da lavorare;
• il progetto deve scegliere il più appropriato e il migliore
acciaio da utensili, compatibile con la fabbricazione
dell’utensile e con i suoi trattamenti termici;
• la fabbricazione dell’utensile deve essere pianificata e
deve seguire precise sequenze e regole per evitare
l’introduzione di difetti, quali per esempio:
l’insufficiente asportazione di sovrametalli, deformazioni plastiche superficiali inammissibili, eccessive tensioni
interne;
• il trattamento termico deve essere compatibile con il
progetto e il materiale scelto e deve sempre essere eseguito a regola d’arte;
• considerato che il risultato del trattamento termico è determinante per la durata e il rendimento dell’utensile, è
indispensabile un severo controllo della sua esecuzione
e dei risultati ottenuti, basandosi anche su prove alternative alla semplice misura di durezza (per esempio: esami
micrografici su provette);
• le operazioni di finitura e in particolare della rettifica,
devono essere condotte in modo controllato, per evitare
bruciature e microcricche;
• il controllo della corretta messa a punto dell’utensile durante l’allestimento nell’attrezzatura e sulla macchina e
assolutamente indispensabile prima della produzione;
• le operazioni d’avviamento della produzione (in particolare il preriscaldo degli utensili per lavorazioni a caldo)
devono essere eseguite con cura e mai omesse;
• le condizioni d’esercizio dell’utensile devono essere costantemente controllate, per evitare inutili sovraccarichi;
• la manutenzione dopo ogni campagna di produzione deve essere eseguita puntualmente per mantenere efficiente
a lungo l’utensile.
Non è sbagliato affermare che tutte le avarie e i danneggiamenti degli utensili dipendono sopratutto dalla trascuratezza o dall’assenza del controllo di una o più delle condizioni sopra citate.
COMPOSIZIONE DEGLI ACCIAI DA UTENSILI
CONSIDERATI
Gli acciai considerati in questo capitolo sono gli acciai
da utensili standard citati in tabella 1.01, che raccoglie alcuni acciai considerati dalla norma UNI EN ISO 4957 e altri considerati dalla classificazione americana AISI. A chi
voglia approfondire l’argomento per avere una panoramica
completa degli acciai standardizzati si consiglia la lettura
del primo capitolo del terzo volume, dedicato agli acciai per
utensili, dove le tabelle 1.14, 1.15, 1.16 e 1.17 riassumono
la composizione di tutti gli acciai da utensili europei e americani normati. Tutti gli acciai citati in questo capitolo sono
fabbricati dalla maggior parte delle acciaierie che producono acciai da utensili.
Tabella 10.01. Classificazione e composizione chimica nominale degli acciai da utensili citati in questo capitolo.
Gruppo
Acciai temprabili
in acqua
Acciai da utensili
per lavorazioni a
freddo
Acciai resistenti
agli urti
Acciai da utensili
per lavorazioni a
caldo
Acciai rapidi
Classificazione
UNI EN ISO 4957
1.1545 C105U
1.1555 C120U
1.1234 105V
1.2510 100MnCrW4
1.2825 95MnWCr5
1.2842 90MnCrV8
\
\
≈ 1.2713 55NiCrMoV6+C
1.2379 X153CrMoV12
1.2080 X210Cr12
1.2363 X100CrMoV5
\
\
\
\
\
\
1.2550 60WCrV8
\
\
\
\
\
\
1.2343 X37CrMoV5-1
1.2605 X35CrWMoV5
1.2344 X40CrMoV5-1
1.2581 X30WCrV9-3
1.3355 HS18-0-1
1.3202 HS12-0-5-5
1.3346 HS1-8-1
1.3339 HS6-5-2
1.3348 HS2-9-2
\
HS0-8-2
1.3249 HS2-8-2-8
\
HS2-8-3-8
AISI
W1
W1
W2
O1
O1
O2
O6
L6
D2
D3
A2
A3
A4
A6
S1
S2
S5
S7
H11
H12
H13
H21
T1
T15
M1
M2
M7
M10
M34
M43
C
1,05
1,20
1,00
0,90
0,95
0,90
1,45
0,70
1,55
2,10
1,00
1,25
0,95
0,70
0,50
0,50
0,60
0,50
0,40
0,35
0,40
0,32
0,73
1,50
0,85
0,83
1,00
1,00
0,90
1,20
PROCEDURA PER LA DIAGNOSI DEI DIFETTI
DEGLI UTENSILI
La procedura per la diagnosi dei difetti degli utensili
non differisce fondamentalmente da quella generale già definita nel primo capitolo e ripresa più volte per gli specifici
prodotti. Tuttavia per gli utensili sono particolarmente importanti i seguenti punti:
1. raccolta delle informazioni sulla fabbricazione e sulla
storia in esercizio dell’utensile;
2. misura della durezza in alcuni punti critici e, se necessario, ripetizione delle misure, anche con prove di microdurezza;
3. controllo della composizione chimica del materiale impiegato per la costruzione dell’utensile, anche con mezzi
semplici, quali la prova alla scintilla;
4. esame macroscopico delle superfici di frattura o usurate.
Quest’esame consente di valutare la grana e di rilevare
linee di propagazione o caratteristiche che permettono di
classificare la frattura e d’individuarne rapidamente la
causa. Talvolta è indispensabile l’esame microfrattografico al microscopio elettronico a scansione;
5. definizione della profondità, estensione e giacitura
dell’eventuale frattura mediante prove non distruttive,
per esempio con liquidi penetranti (PT), particelle magnetiche (MT) o ultrasuoni (UT) . Talvolta, sebbene raramente, sono utili anche altre tecniche non distruttive
(vedi volume primo capitolo ventesimo);
6. definizione dell’estensione e giacitura delle zone usurate
o danneggiate;
7. esame macrografico dopo attacco acido a freddo o a
caldo, per evidenziare eventuali difetti non osservabili
Mn
0,25
0,25
0,25
1,20
1,20
2,00
0,80
0,50
\
0,30
0,60
0,30
2,00
2,00
\
\
0,80
0,70
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
Composizione chimica (% p.p.)
Si
Cr
Ni
Mo
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
0,50
\
\
\
0,50
\
\
\
0,50
\
\
1,05
\
\
0,25
\
0,8
1,60
0,25
\
11,50
\
0,80
\
12,00
\
\
\
5,25
\
1,10
\
5,00
\
1,00
0,35
2,20
\
1,15
\
1,05
\
1,15
0,75
0,15
\
\
1,00
\
\
0,50
1,85
\
\
0,75
0,25
3,25
\
1,40
0,90
5,00
\
1,30
1,05
5,15
\
1,65
1,00
5,25
\
1,25
\
3,25
\
\
\
4,00
\
\
\
4,00
Co 5,0
\
4,00
\
8,50
\
4,15
\
5,00
\
4,00
\
8,75
\
4,00
\
8,00
\
4,00
Co 8,0
8,00
\
4,00
Co 8,0
8,25
W
\
\
\
0,50
0,50
\
\
\
\
\
\
\
\
2,50
\
\
\
\
1,55
\
9,35
18,00
12,00
1,5
6,35
1,75
\
2,00
2,75
V
\
\
0,20
0,20
0,15
0,15
\
0,25
0,90
\
0,25
1,00
\
\
0,20
\
0,20
\
0,50
\
1,05
0,50
1,10
5,00
1,00
1,90
2,00
2,00
2,00
2,60
all’esame visivo diretto;
8. esame micrografico di una o più sezioni, opportunamente selezionate e preparate per definire la microstruttura,
la grossezza del grano, l’eventuale presenza di decarburazione o carburazione, la profondità di tempra e/o il
grado di trasformazione martensitica, ecc. Se ritenuto utile è importante determinare anche la percentuale
d’austenite residua mediante diffrattometria ai raggi X.
L’analisi dei risultati degli otto punti consigliati porta
generalmente alla formulazione di un’ipotesi sulla causa del
difetto, con alta probabilità di successo. In alternativa circoscrive il campo d’ulteriore indagine, in modo che poche altre prove possano rilevare la causa più probabile.
DIFETTI DOVUTI ALLA PROGETTAZIONE
Una buona progettazione è indispensabile per prevenire
il precoce danneggiamento degli utensili.
Nei manuali esistono molte regole empiriche che aiutano
il progettista a definire la geometria degli utensili. Tuttavia,
non si può progettare un utensile solo in base alla dimensioni. Intatti, il progettista deve assolutamente considerare il
tipo d’acciaio che intende usare, ponendo particolare attenzione al successivo trattamento di tempra che sarà eseguita
in acqua, olio o aria, secondo il caso. Generalmente, gli utensili destinati alla tempra in un mezzo liquido devono essere progettati con particolare cautela, mentre quelli destinati alla tempra in aria possono tollerare alcune caratteristiche, che devono essere assolutamente evitate nei primi. In
alterativa, gli utensili che possiedono forme complesse e
poco adatte alla tempra in liquido, possono essere sottoposti
alla tempra parziale o localizzata, dove solo la parte
dell’utensile che deve lavorare e/o è sottoposta a usura viene temprata, mentre tutto il resto è bonificato o indurito assai meno.
L’importanza di una buona progettazione non può essere
mai sovrastimata. Un progetto inadeguato influisce negativamente sul rendimento principalmente in due modi:
• può portare alla rottura dell’utensile durante il trattamento termico, azzerando la vita dell’utensile ancor
prima che sia usato;
• può portare a un precoce danneggiamento in servizio,
che manda in avaria l’utensile prima del completamento
della vita prevista.
Le cricche che si formano negli utensili durante il trattamento termico sono spesso dovute a scadente progettazione, perché il progettista non ha considerato che l’utensile,
per la forma e/o per il tipo d’acciaio scelto, non è temprabile con successo nemmeno nel mezzo appropriato.
Gran parte dei difetti possono essere attribuiti, direttamente o indirettamente a errori della progettazione. I casi
più comuni sono:
• l’incompatibilità tra il materiale scelto e i trattamenti
termici prescritti;
• l’errata scelta delle condizioni di finitura superficiale;
• l’errata geometria dei raccordi o angoli troppo acuti che
generano eccessiva concentrazione di sforzi.
Gli errori di progettazione delle forme comprendono:
• angoli non adeguatamente raggiati;
• filettature con fondo gola acuti;
• incavi e intagli collocati in zone molto sollecitate o disegnati in modo scadente;
• cambi repentini di sezione;
• presenza di cavità che creano pareti sottili;
• giochi eccessivi o insufficienti.
Le più note regole di buona progettazione delle forme,
applicate comunemente ai componenti meccanici, sono assai più importanti per la progettazione degli utensili e soprattutto degli stampi, perché il metallo, più duro e normalmente meno tenace di quello dei componenti meccanici, è
più sensibile alla concentrazione di sforzi per effetto
d’intaglio e quindi non perdona errori di progettazione.
La progettazione non deve limitarsi alla definizione delle forme, ma deve considerare tutti i problemi di fabbricazione dell’utensile e delle sue condizioni d’esercizio.
Per la fabbricazione devono essere considerati: il tipo
d’acciaio, la tecnologia e il ciclo di fabbricazione, i trattamenti termici, i trattamenti di finitura superficiale e le attrezzature disponibili per la realizzazione di ciascuna fase.
Delle condizioni d’esercizio vanno considerate le sollecitazioni meccaniche e termiche prevedibili, per calcolare
adeguatamente le sezioni resistenti ed evitare, quanto più
possibile, sovraccarichi localizzati. Anche in questo caso
devono essere considerate le attrezzature e le macchine sulle quali sarà montato l’utensile, nonché i ritmi della produzione, che spesso condizionano le scelte del materiale e del
suo ciclo di fabbricazione.
La progettazione degli utensili per formatura a freddo è
notoriamente difficile, perché le sollecitazioni d’esercizio
sono molto complesse; tuttavia con i moderni software disponibili, che si basano sull’analisi agli elementi finiti, è
possibile stimare e mappare le sollecitazioni prevedibili con
elevati indici di correlazione tra il calcolo teorico e il comportamento sperimentale.
La durezza degli utensili per formatura a freddo è generalmente molto elevata e di conseguenza è notevole la suscettibilità alla frattura fragile, vista la modesta tenacità
dell’acciaio. Tale situazione non perdona alcun errore di
progettazione. Sebbene i nuovi strumenti di calcolo assistito
dal computer si stiano sempre più affermando, la progettazione degli utensili si basa ancora molto sull’esperienza, che
rimane comunque fondamentale per il raggiungimento del
successo della progettazione.