Metallografia e test di durezza

Sui componenti in acciaio vengono eseguiti una serie di test e prove. Di seguito si riporta a grandi linee il processo di preparazione dei provini, il controllo al microscopio della struttura dell’acciaio e le misure di durezza delle componenti.

7.3.5.3.1 Acciai: generalità

L’acciaio è una lega del ferro con un tenore di carbonio inferiore al 2,06%. L’aggiunta di diversi componenti nelle leghe degli acciai ne modifica le proprietà. Le leghe di ferro con gli elementi leganti: Mn, Si, Al, Cr, Ni, ecc formano gli acciai legati. L’acciaio inossidabile è una lega ferro carbonio e cromo, più possibili aggiunte di nickel, molibdeno, manganese, silicio e titanio che lo rendono particolarmente resistente a particolari tipo di corrosione.

Questi acciai si definiscono inossidabili perché vengono posti in un ambiente ossidante per cui si ha la formazione superficiale di ossidi di cromo, che prevengono ulteriori ossidazioni del materiale. Si riportano di seguito esempi della struttura di tre tipi di acciaio inossidabile le cui strutture vengono riportate nelle figure 12, 13 e 14:

1 – acciaio inossidabile ferritico; 2 – acciaio inossidabile martensitico; 3 – acciaio inossidabile austenitico.

La normativa europea classifica gli acciai a seconda della loro composizione chimica e della caratteristica di impiego. Classificazione in funzione della composizione chimica:

Figura12 : Acciaio inox. Ferritico.

Figura13: Acciaio

inox. Martensitico. Figura14: Acciaio inox. Austenitico.

• Acciai debolmente legati; • Acciai legati.

Classificazione in base alle caratteristiche di impiego: • Acciai comuni;

• Acciai speciali.

Trattamenti di indurimento superficiale

I trattamenti di indurimento superficiale hanno l’obiettivo di aumentare la durezza degli strati superficiali di materiali ferrosi (acciaio al carbonio e legato, ghise grigie malleabili o sferoidali) in modo tale da aumentare la resistenza all’usura e a fatica conservando comunque un nucleo con buone caratteristiche di tenacità. I trattamenti a cui si fa riferimento sono:

• carbocementazione e carbonitrurazione; • la tempra superficiale.

Quando il disegno prescrive la carbo-cementaizone o carbo-nitrurazione, questo trattamento deve essere sempre seguito da tempra e distensione (rinvenimento). La seguente prova descritta per misurare lo spessore efficace deve essere fatto al completamento del ciclo di trattamenti.

Carbocementazione e carbonitrurazione sono trattamenti termici che permettono

l’arricchimento di carbonio o carbonio azoto sulla superficie di un pezzo di acciaio dolce ( a basso tenore di carbonio). Il carbonio o carbonio azoto viene fatto diffondere all’interno del materiale per una certa profondità.

Vengono definite le classi di indurimento. Esse si differenziano per tipo di trattamento (carbocementazione e carbonitrurazione) e per la misura dello spessore efficace.

Le classi di indurimento per carbocementazione sono: Cmt05, Cmt10, Cmt20, Cmt30, Cmt50, Cmt65, Cmt80, Cmt100.

Le classi di indurimento per carbonitrurazione sono: Carbn05, Carbn10, Carbn20, Carbn30, Carbn50.

Il trattamento di tempra viene fatto a seguito dei trattamenti sopra descritti. Il

trattamento di tempra consiste in un brusco raffreddamento del metallo dopo averlo portato ad alta temperatura; l'elevata velocità di raffreddamento inibisce l'azione diffusiva atta al ripristino dell'equilibrio e il numero di vacanze (e quindi di cluster, cioè raggruppamenti di difetti puntuali) che compete alla temperatura di tempra è conservato a temperatura ambiente. Più in generale si può dire che la tempra, inibendo i processi diffusivi necessari alla stabilizzazione termodinamica, trasferisce a temperatura ambiente uno stato termodinamicamente competente a temperatura maggiore. Un monocristallo così trattato ha resistenza meccanica maggiore rispetto al monocristallo raffreddato lentamente.

Grazie alla tempra, per esempio, si trasforma la struttura perlitica del ferro in martensitica.

Il trattamento di Distensione massimizza il rendimento dell'operazione tempra,

l'insieme di questi due trattamenti si chiama bonifica.

Per la maggior parte degli impieghi, l'acciaio temprato risulterebbe troppo fragile, quindi per mezzo di un successivo riscaldamento (o rinvenimento) viene favorita la diffusione degli atomi di carbonio che abbandonano lentamente il "reticolo martensitico" per assumere la normale forma della cementite. Con il rinvenimento, vi è una riduzione nel materiale delle tensioni interne provocate dalla tempra, una diminuzione della durezza che è però legata da un incremento di tenacità che si riscontra sul materiale.

7.3.5.3.2 Preparazione provini

Il pezzo di metallo deve essere tagliato in modo tale da non sottoporre il pezzo a stress termico. Viene limato ripetutamente fino ad ottenere una superficie a specchio.

7.3.5.3.3 Prova della curva di durezza

Il test viene fatto per misurare che la lunghezza dello spessore efficace. Lo spessore efficace parte dalla superficie esterna fino al punto in cui la durezza mantiene un valore di almeno HV 514.

La misura avviene tramite una serie di microdurezze, ovvero viene misurato il gradiente di durezza Vichers con un carico di 1 kg. Per le classi Cmt10 e Carbn10 e superiori si deve determinare anche uno spessore convenzionale (spessore macro) inteso come la distanza tra la superficie esterna e il punto in cui la durezza raggiunge valore di HV 685.

Il test viene fatto con un microdurometro. Il primo punto viene preso posizionandosi a una distanza dalla tangente esterna variabile da 0,05, 0,1 mm che poi diventa il passo la determinazione dei punti successivi( vedi schema riportato in figura 17). Per materiali più teneri la distanza aumenta anche fino a 0,3-0,4 mm(es. rame). In ogni punto viene misurata la durezza Vichers attraverso la misura delle dimensioni dell’impronta lasciata dalla punta con un carico di 9.8 N.

0,05 o 0,1

Figura 18: microdurometro. Figura 17: schema di misura della curva

7.3.6 Audit

I primi prodotti, in una numerosità dell’ordine delle migliaia, che escono dalla linea vengono controllati al 100% dal punto di vista estetico-funzionale tramite liste di controllo.

La lista è molto accurata, di seguito si riporta un esempio dei possibili argomenti principali:

• Stampigliature e dimensioni; • Prestazioni del motore; • Rumorosità; • Prestazioni veicolo; • Coppie di serraggio; • Accoppiamenti plastiche; • Verifica : ƒ Strumenti; ƒ Luci; ƒ Interruttori/commutatori; ƒ Serrature; ƒ Indicatori di livello. • Qualità superfici carrozzeria.