Trattamenti termici eseguiti in azienda

Il ciclo dei trattamenti termici da seguire per trattare i pezzi realizzati con acciaio VASCO è contenuto nella specifica Boeing BMS 7-223, [Boe12]. Momenti cruciali dei trattamenti termici sono le fasi di cementazione e la tempra finale; le problematiche legate ai trattamenti termici derivano dalle peculiarità progettuali della maggior parte degli ingranaggi e dei pignoni realizzati con questo tipo di acciaio: non tutte le zone presentano caratteristiche omogenee; in particolare, nel caso del pignone oggetto del nostro studio, le cavità interne adibite all’accumulo dell’olio per la lubrificazione dei cuscinetti non devono essere ne cementate ne temprate.

Il processo di cementazione selettiva viene di solito realizzato andando a schermare con uno strato di rame le parti che non devono subire il trattamento termico. A causa della composizione chimica dell’acciaio, lo strato di rame non si riesce ad aggrappare alla superficie del metallo e le sue proprietà schermanti vengono meno. L’unico metodo che si ha per rendere efficace la ramatura su questo tipo acciaio è quello di eseguire una nichelatura elettrolitica preventiva. Il processo di ricopertura al nickel (nickel strike) e di ramatura schermante è molto oneroso sia dal punto di vista economico che del tempo di lavorazione per cui, al fine di ridurre i costi, è eseguito unicamente prima della tempra finale. Secondo direttive Boeing, se a progetto sono presenti parti che non devono presentare uno strato superficiale cementato, si dovrà procedere a una cementazione totale e a successive asportazioni di truciolo dalle parti in questione al fine di rimuovere tale strato (si scava 2,5 volte lo spessore dello strato cementato).

I primi due trattamenti che subisce il semilavorato che arriva in Agusta sono quelli di:

1. Pre-ossidazione: L’acciaio è riscaldato in forno fino a una

temperatura di 982°C e lasciato a tale temperatura per 40-50 minuti; è in seguito raffreddato in aria.

2. Pulitura/Disincrostazione: Pulizia volta a rimuovere eccessi di

ossido. Tale pulizia è eseguita mediante sabbiatura con pallini di vetro. La pressione di sabbiatura non deve superare i 6 bar. Sulla superficie del pezzo non devono rimanere aloni o macchie: tali elementi sono indici di una cattiva pulizia che andrebbe poi a inficiare le successive lavorazioni.

A pulitura ultimata segue la bonifica di lavorabilità (tempra e rinvenimento da eseguire entro due ore dalla tempra), che conferisce all’acciaio una durezza al cuore di HRC=26÷34. Per quest’operazione non è richiesto uno sgrassaggio preventivo. Al termine dello spegnimento in olio, deve essere eseguita la pulitura alcalina delle parti in una sgrassatrice.

Le operazioni che compongono questa bonifica sono:

1. Tempra. Dopo essere stati posizionati su un apposito cestello ad

immersione, i pezzi vengono caricati in forno ad una temperatura stabilizzata di 815°C; il tempo di permanenza nel forno in queste condizioni è di un’ora. Si riscalda in seguito il forno fino alla temperatura di austenitizzazione di 970°C e si mantiene tale temperatura per tre ore e trenta minuti. L’atmosfera protettiva nel forno è realizzata mediante insufflazione di azoto e metanolo. Il mezzo raffreddante è olio a una temperatura di circa 60°C; l’acciaio deve essere mantenuto nel mezzo raffreddante per almeno cinque minuti.

Figura 2.33: Disposizione su cestello dei pezzi da temprare.

2. Rinvenimento. Le parti da trattare sono immesse in forno a una

temperatura di set point pari a 630°C. Il tempo di permanenza è di sei ore. Le modalità di raffreddamento sono di tipo “air slow cooling” (raffreddamento lento in aria).

Figura 2.33: Controllo durezza post bonifica di lavorabilità – pignone grezzo.

Alla bonifica di lavorabilità segue la cementazione. La cementazione è un trattamento termochimico di diffusione che prevede un arricchimento di carbonio sulla superficie di un componente meccanico realizzato in acciaio; questo si può trovare allo stato di semilavorato o finito. Il trattamento può comportare una deformazione che varia in funzione della colata del materiale e della geometria del pezzo. Nella cementazione dell’acciaio VASCO, il materiale è immesso in forno alla temperatura di 925°C. Il tempo totale di permanenza nel forno è di sedici ore suddivise in quattro fasi distinte:

1) Potenziale di carbonio = 0,95. Tempo di permanenza = 4 ore; 2) Potenziale di carbonio = 0,75. Tempo di permanenza = 4 ore; 3) Potenziale di carbonio = 0,85. Tempo di permanenza = 3 ore; 4) Potenziale di carbonio = 0,70. Tempo di permanenza = 5 ore; Anche le fasi di raffreddamento sono suddivise in due step distinti:

1) Raffreddamento in forno fino a 815°C ( 30 minuti al massimo ); 2) Raffreddamento lento in camera con aria a temperatura ambiente. Entro cinque ora dalla prima cementazione deve essere eseguita la

ricottura completa: l’acciaio è caricato nel forno a una temperatura di

670°C e mantenuto a tale condizione per due ore. Il raffreddamento si esegue in aria. Tramite la ricottura viene alterata la microstruttura del materiale, causando mutamenti nelle sue proprietà quali la flessibilità e la durezza. Il risultato tipico è la rimozione dei difetti della struttura cristallina. La ricottura può avere anche lo scopo di uniformare la composizione chimica dell'acciaio: in tal caso il riscaldamento è eseguito ad una temperatura più elevata e per tempi più lunghi. Una volta ricotto,

l’acciaio è pulito mediante sabbiatura con pallini di vetro per eliminare tutte le eventuali porosità presenti.

Seguono i processi di nichelatura elettrolitica e ramatura. Nella

nichelatura elettrolitica si pongono gli oggetti da nichelare (ben puliti con

spazzolatura meccanica o con lavaggi di soluzioni alcaline per sgrassarli e quindi acide per decaparli) come catodo in un bagno elettrolitico; nello stesso bagno sono immersi alcune barre del metallo da depositare, collegate all’anodo. Quando si alimenta la corrente gli ioni positivi del metallo da depositare migrano verso il polo negativo, dove si scaricano depositandosi sotto forma di uno strato metallico continuo. Al polo positivo si ha invece la dissoluzione del metallo con la formazione di ioni in soluzione, che vanno a reintegrare gli ioni scaricati al catodo. La

reazione complessiva è un’ossidoriduzione, come risultato

dell’ossidazione anodica del metallo che si scioglie perdendo elettroni e della riduzione catodica dello ione che si deposita come metallo acquisendo elettroni. La resistenza alla corrosione è legata oltre che allo spessore dello strato anche alla sua porosità, fragilità, aderenza, ecc. La pulitura meccanica di un deposito elettrolitico esercita per lo più un effetto benefico sulla resistenza alla corrosione, come pure opportuni accoppiamenti rame-nichel-cromo aumentando considerevolmente il valore protettivo del rivestimento riducendone di molto il numero di pori.

La ramatura al cianuro è molto importante in operazioni galvaniche sia per depositi di aggancio, come nel nostro caso, che per depositi a spessore quando sia necessario limitare le tensioni interne. I bagni al cianuro sono caratterizzati da un elevato potere penetrante. Il sale di partenza per la formazione del bagno è il cianuro di rame (CuCN) che deve essere complessato con KCN o NaCN per ottenere un complesso solubile in acqua. La forma complessa più importante è rappresentata da K2Cu(CN)3 o Na2Cu(CN)3. La somma del cianuro richiesto per complessare in questo modo il rame più quello richiesto per il buon funzionamento del bagno (cianuro libero) rappresenta il cianuro totale. La presenza di cianuro libero stabilizza i vari complessi cianurati del rame, però il numero di ioni rame disponibili alla scarica catodica diminuisce con l’aumento della concentrazione del cianuro libero. La polarizzazione catodica invece aumenta ed aumenta così il potere penetrante della soluzione. Il deposito che si ottiene è duro e con grana fine. La concentrazione del cianuro libero deve essere mantenuta entro limiti ben prefissati. Un aumento eccessivo riduce il rendimento catodico

fino a favorire la scarica dell’idrogeno che provoca puntinature ed esfoliazioni del deposito. Se si opera in difetto invece non si solubilizza il CuCN che si forma all’anodo. Questo si ricopre di uno strato di questo sale insolubile, quindi si polarizza e non permette la dissoluzione ulteriore dell’anodo.

Gli anodi di rame devono essere di elevata purezza e possono essere in piastre o in quadrotti inseriti in cestelli di rete di titanio entrambi insacchettati in sacchi di meraklon. Se il contenuto di rame aumenta nella soluzione basta sostituire qualche anodo di rame con altrettanti di acciaio fino a trovare le condizioni di stabilità. Il rapporto ottimale fra la superficie anodica e catodica è circa 2:1.

Una volta ultimate le procedure di schermatura preventiva, l’acciaio è pronto per i processi di tempra, congelamento, doppio rinvenimento e deramatura finale.

La tempra è eseguita in uno stampo pressa Gleason e lo staffaggio al quale sono sottoposti i pezzi è molto severo. Ciò serve a evitare movimenti e piccole oscillazioni durante le fasi di carico e scarico nelle varie camere che comprometterebbero il risultato finale.

Figura 2.35: Staffaggio del pignone per operazione di tempra.

I pezzi staffati sono caricati nella prima camera preriscaldata a una temperatura di 815°C; il tempo di permanenza in questa camera è di un’ora. La seconda camera nella quale sono inviati si trova invece a una temperatura di 1010°C e il tempo di permanenza è di mezz’ora.

Nel forno l’atmosfera protettiva prevede l’insufflazione continua di azoto e metanolo. Lo spegnimento è eseguito in olio a una temperatura compresa tra i 55°C e i 60°C per un tempo minimo di 5 minuti; il trasferimento dalle camere alle vasche di raffreddamento devo avvenire in un intervallo di tempo massimo pari a 90 secondi. Con questo trattamento termico sono raggiunti valori di durezza al cuore compresi tra i 36 HRC e i 44 HRC, mentre per la superficie si arriva a 60 HRC. Le successive operazioni di congelamento (freezing) sono una caratteristica comune degli acciai per utensili dai quali il VASCO deriva. Questo trattamento termico avviene portando il materiale di sotto della temperatura di fine trasformazione della martensite (MF) e deve essere eseguito entro mezz’ora dalla tempra. Normalmente si esegue ad una temperatura di -80°C. Serve per stabilizzare la martensite ed eliminare l'austenite residua presente nei particolari temprati. In un acciaio non legato ( per percentuali superiori allo 0,7%C ) Mf assume valori inferiori a 0°C; per cui, per portare l’acciaio sotto questa temperatura, è sufficiente eseguire bagni termostati di alcool, ghiaccio secco e azoto liquido. Nel caso di acciai particolarmente ricchi di elementi di lega la trasformazione martensitica non risulta completata alla temperatura ambiente. Con il trattamento sotto zero la trasformazione da austenite a martensite è finalmente completata, consentendo così di ottenere quelle strutture cristalline che garantiscono una maggiore resistenza all'usura e conseguente aumento della vita. L’esperienza dimostra che a –80°C, nella maggior parte degli acciai, non si trova più austenite. L’immersione in azoto liquido è da evitare nella maggior parte dei casi, poiché provocherebbe un raffreddamento troppo brusco con conseguente shock termico ed eventuale rottura delle zone con geometria più complicata ( fori di lubrificazione, spigoli.. ). La specifica BMS 7-223 prevede che il trattamento passi attraverso questi punti:

1. Congelamento dell’acciaio in forno. Temperatura di congelamento = -80°C;

2. Tempo di permanenza nel forno = 4 ore;

3. Raffreddamento lento (slow cooling) in aria a temperatura ambiente.

Dopo il congelamento vi sono due step di rinvenimento. Il primo rinvenimento deve essere eseguito entro due ore dal congelamento. L’acciaio è caricato nel forno ad una temperatura di set-point stabilizzata di 316°C ed è mantenuto in tale condizione per due ore; è

successivamente raffreddato in aria a temperatura ambiente (slow cooling). Il secondo rinvenimento è eseguito con le stesse modalità e gli stessi parametri del primo. Lo scopo di queste operazioni è trasformare tutta la martensite in sorbite. La sorbite è una struttura globulare omogenea e molto fine, viene spesso definita come aggregato non lamellare di ferrite alfa e cementite non aciculare. Si ottiene dopo un trattamento termico di bonifica sull'austenite, quindi dopo una tempra ed un conseguente rinvenimento della martensite ottenuta. La temperatura di rinvenimento ed il prolungato mantenimento a tale valore favoriscono l'affinazione e la globulizzazione dei carburi nella matrice. La struttura sorbitica conferisce al VASCO caratteristiche meccaniche molto buone, tra cui durezza, un carico unitario a rottura discreto (pur rimanendo inferiore a quello dell’AISI 9310) e una resistenza all’usura eccellente.

La deramatura è l’operazione conclusiva dei trattamenti termici. In questa fase è rimosso lo strato di nickel e di rame che era stato posto sull’acciaio prima della tempra. A deramatura ultimata, i pezzi sono sabbiati e pronti per le operazioni di finitura finale, tra cui la rettifica.