Trattamenti termici sulla carpenteria

Trattamento termico di distensione della carpenteria

Il trattamento termico standard per la carpenteria metallica è la distensione, il cui scopo è quello di eliminare le forze di trazione e compressione presenti all'interno delle saldature e nelle zone adiacenti dopo il loro raffreddamento che, altrimenti, andrebbero stimate in fase progettuale del manufatto e sottratte al carico ammissibile del giunto.

L'eliminazione delle tensioni residue interne, inoltre, è indispensabile:

per avere stabilità geometrica dei pezzi durante la loro lavorazione meccanica;

per evitare disallineamenti in esercizio dei piani, disallineamento degli assi degli alberi, sbilanciamento degli organi rotanti, ecc;

per incrementare la resistenza a fatica del materiale riducendo la possibilità della propagazione delle cricche.

Il trattamento consiste nello scaldare i manufatti ad una temperatura tale per cui l'acciaio ha un bassissimo carico di snervamento (è "rosso"). Alla temperatura di permanenza gli sforzi residui, tramite scorrimenti viscosi di materiale, si riducono fino a non produrre più effetti significativi.

Quando si progetta un pezzo di carpenteria da sottoporre a trattamento termico bisogna prevedere dei rinforzi, anche provvisori, affinché i manufatti con le geometrie più leggere non collassino sotto il proprio peso, durante la distensione.

Se le carpenterie sono costituite da tubi e scatolati, bisognerà prevedere opportuni fori di scarico dell’aria dalle camere chiuse (diametro 3 mm, per esempio, ottenibili anche non completando le saldature) per evitare il loro rigonfiamento a causa dell’aumento della pressione interna dell’aria, che a 600°C triplica il proprio volume, esercitando se vincolata una pressione (3 atmosfere) sufficiente a deformare il materiale privo di caratteristiche meccaniche per via dell’alta temperatura.

Quando si scelgono materiali più performanti del normale acciaio al carbonio per costruzione, particolare attenzione dovrà essere prestata alla temperatura da adottarsi per la distensione in quanto per gli acciai da bonifica, per gli acciai martensitici e per gli acciai legati e basso legati le caratteristiche meccaniche sono attribuite mediante i classici trattamenti di tempra (acciai da bonifica), normalizzazione (acciai legati e basso legari) e successivo rinvenimento. La temperatura di distensione delle tensioni residue non dovrà superare la temperatura a cui è stato rinvenuto il materiale (che il fornitore deve dichiarare), pena l’inevitabile diminuzione delle caratteristiche meccaniche. Quando invece sullo stesso manufatto si saldano materiali eterogenei (per esempio: inox e acciaio al carbonio), bisogna considerare che gli stessi hanno coefficienti di dilatazione termica diversi e, sotto l’influenza della temperatura, la differente dilatazione determina ricalcature locali con generazione di nuovi stati di tensione residua, deformazioni geometriche e, nel caso peggiore, cricche.

E’ sicuramente da studiare, inoltre, l’influenza della temperatura di distensione sulle caratteristiche di resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili austenitici (con contenuto di C>0,03%) e ferritici. Per la prima classe di materiale indicata, dovranno essere evitate le temperature comprese tra 450°C e 850°C per i noti fenomeni di sensibilizzazione, con drastica riduzione delle caratteristiche di resistenza alla corrosione; per gli acciai ferritici non si dovranno eseguire trattamenti intorno ai 500°C –600°C per non incorrere in fenomeni di infragilimento.
Trater dispone di 12 forni per trattamento termico e, ogni giorno, almeno due impianti sono destinati al ciclo termico standard di distensione della carpenteria in acciaio al carbonio, alla temperatura di 600-630°C per una e due ore. Tutti i forni sono qualificati secondo la norma ASTM A991/A991M e secondo la ISO 17663. Per lo svolgimento di certe commesse, alcuni sono, inoltre, qualificati in accordo alla Norme API 6A, ISO 10423, GE P28D-AL-0001 e NORSOK M-650. I forni di Trater più grandi (21.5m x 8m x h5m) hanno un errore di uniformità in tutto il volume di carica di massimo 10°C rispetto al riferimento. Nei forni più piccoli questo scostamento scende addirittura sotto i 5°C.
I forni, normalmente dedicati alla distensione delle carpenterie, sono di grandi dimensioni e ci permettono di trattare contemporaneamente un numero elevato di manufatti, disposti opportunamente per limitare i rischi di deformazione per schiacciamento e per ottimizzare l’uniformità di temperatura. Indipendentemente dall’uniformità di temperatura degli impianti, in Trater le cariche dei forni sono programmate in base agli spessori dei pezzi che ci vengono inviati per il trattamento e ai cicli concordati con i clienti. Pezzi di basso spessore non sono mai trattati con manufatti di alto spessore perché i pezzi più massivi, a parità di superficie, impiegano più tempo a scaldarsi rispetto alle geometrie leggere che, in tempi molto più brevi, si portano alla stessa temperatura dell’aria del forno. Per manufatti con elevato spessore e massa sono impostati cicli di riscaldamento, stasi e raffreddamento molto più lunghi, idonei a far raggiungere la corretta temperatura anche al cuore del materiale. Particolare cura, inoltre, è dedicata allo studio e alla conduzione dei cicli termici di strutture geometricamente complesse, con camere chiuse e spessori molto differenti tra loro. Sono adottati in questo caso gradienti di riscaldamento lenti per evitare che si vengano a determinare forti differenze di temperatura tra le singole parti del manufatto, per il rischio che le geometrie leggere si scaldino e dilatino prima e, costrette tra le parti massive più lente, si ricalchino durante la fase di innalzamento della temperatura, con conseguente trazione residua in fase di raffreddamento. I manufatti sono estratti dai forni solo quando la loro temperatura è molto bassa (< 150°C) per evitare che, per gli stessi fenomeni precedentemente descritti, si vengano a determinare differenze di temperatura elevate, sufficienti per generare nuove tensioni e inficiare i risultati di rilassamento ottenuti con il ciclo termico applicato. Solo quando le temperature sono prossime a quelle dell’ambiente si procede alla consegna dei pezzi al cliente. Disporre di molti impianti (12 forni) di idonee dimensioni ci permette di soddisfare ogni giorno le richieste più varie e riconsegnare i manufatti in tempi brevi, con elevata qualità nell’esecuzione del lavoro, al contrario di altre realtà oggi sul mercato che, dovendo trattare tutto insieme, non possono adattare i gradienti di riscaldamento e raffreddamento dei manufatti in funzione degli spessori, piuttosto che le temperature di permanenza in relazione alla presenza di parti in acciaio bonificato, per cui tutta la carica viene costretta a bassa temperatura, con scarsi risultati in termini di rilassamento delle tensioni residue anche su manufatti su cui si potrebbe raggiungere il massimo della distensione.

Come visto in precedenza, l’uniformità di temperatura da ottenersi durante tutte le fasi dei cicli termici di distensione è il fattore che maggiormente influenza il risultato del trattamento in termini di rilassamento. E’ importantissimo quindi che sia misurata e registrata in modo molto accurato la temperatura dei manufatti mediante termocoppie applicate a diretto contatto dei pezzi e opportunamente posizionate in relazione:

  • alla geometria dei manufatti
  • agli spessori
  • alle masse
  • all’uniformità di temperatura del forno e alle caratteristiche dell’impianto
  • alla criticità del materiale del manufatto (acciaio bonificato, legato e basso legato).

Sono oggi a disposizione delle aziende di trattamento termico svariate tipologie di termocoppie; le più pratiche e precise per la misura a contatto dei manufatti sono quelle a filo a perdere monouso, in quanto:

  • hanno lunghezza illimitata e possono essere posizionate in qualsiasi punto del pezzo
  • il giunto caldo di misura è ottenuto saldando a mezzo scarica capacitiva i due fili costituenti la termocoppia direttamente sulla superficie del manufatto, riducendo l’errore di misura dovuto all’interferenza con l’ambiente del forno.

Trater consuma ogni mese migliaia di metri di filo di termocoppia del tipo descritto, per garantire al cliente un prodotto esente da “difetti occulti” (tensioni residue). Tutte il materiale termometrico utilizzato è sottoposto a taratura e certificato.

L’organico Trater conta più di 40 dipendenti. Il cuore dell’azienda è l’ufficio tecnico con 12 persone tra specialisti, ingegneri e addetti alla qualità. Un reparto di 9 persone, divise in tre turni che operano 24 ore su 24, si occupa esclusivamente della sorveglianza dei cicli termici. Gli addetti sono stati formati con corsi specifici di metallurgia, tecnologie di saldatura, modellistica dei sistemi termici, sistemi di combustione, elettrotecnica e misure e seguono un programma continuo di formazione e aggiornamento. Ogni squadra è formata da uno specialista in elettronica/informatica, da un elettricista ed un meccanico, per risolvere tempestivamente tutte le possibile anomalie dei 12 forni. Interagendo con i sistemi automatici dei forni i trattamentisti controllano costantemente lo svolgimento intervenendo sulla programmazione delle apparecchiature per ottimizzare i parametri di trattamento. L’automazione installata sugli impianti negli ultimi anni ha determinato un incremento della qualità dei trattamenti svolti, ma se non si dispone di personale 24 ore su 24, non è possibile garantire che tutti i pezzi e le varie parti degli stessi raggiungano uniformemte la temperatura di stasi prevista e si raffreddino con le modalità necessarie per non determinare nuove tensioni residue. I sistemi automatici iniziano a contare il tempo di permanenza quando l’aria del forno arriva alla temperatura voluta, ma in quel momento sicuramente la temperatura dei pezzi con spessori alti è lontana da tale valore, e probabilmente nemmeno ci arriverà prima dell’inizio del raffreddamento calcolato dai sistemi informatici. Inoltre non esistono forni automatici capaci di impostare automaticamente i gradienti di riscaldamento e raffreddamento in funzione del comportamento della carica, ne discriminare errate misure di temperatura o intervenire tempestivamente in caso di guasto.

In un mondo in cui le richieste prestazionali e di precisione dei macchinari e degli impianti costruiti sono sempre più elevate, è importante che i clienti possano contare su un fornitore strutturato e affidabile come Trater, che ha a disposizione personale e mezzi per eseguire al meglio i cicli termici e fornire pezzi correttamente distesi, garantendo ai nostri clienti di poterli lavorare con precisione, senza il rischio di distorsioni o disallineamenti per via delle tensioni residue.
Il personale addetto al controllo qualità esegue, in conformità al nostro manuale, controlli standard e/o concordati con il Cliente sui manufatti soggetti a distensione. Sulle carpenterie realizzate con materiali bonificati, legati e/o basso legati, sono eseguite, prima e dopo trattamento, misure di durezza con apparecchiature portatili, tarate, e verifica di eventuali distorsioni o danneggiamenti occorsi durante il ciclo termico. Trater, unica azienda di trattamenti termici in Italia ed in Europa, dispone, inoltre, di due apparecchiature per la misura delle tensioni residue mediante diffrattometria dei raggi X e di una apparecchiatura per misure con rosetta estensimetrica (Hole drilling), che utilizziamo per rilevare e certificare i valori di stress residuo su costruzioni particolari.
Tutte le attività sono svolte in conformità al nostro manuale “Manual of Quality Assurance”, certificato in accordo TUV AD 2000 – Merkblatt W 0 / TRD 2100, HP0. Dispone di personale qualificato fino al massimo livello (comprehensive) nei corsi EWF: “Personnel with the Responsibility for Heat Treatment of Welded Joints Doc.EWF 628-08”.

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Trattamenti termici di ricottura o distensione della ghisa

La ghisa è una lega contenente il 2% o più di carbonio e nella quale il ferro è l’elemento predominante in peso.

Altri elementi di lega quali Al, Cu, Mo, Ni, S, Ti e Va sono contenuti, complessivamente, in percentuali inferiori al 10%.

Le ghise grigie

Le ghise grigie da fonderia o ghise meccaniche, per la loro buona colabilità e il prezzo modesto rispetto all’acciaio, sono largamente utilizzate nella meccanica, in tutti quei casi in cui non è richiesta una particolare tenacità del pezzo. Presentano un’ottima resistenza all’usura per il potere antigrippante del carbonio libero che è sempre presente nella fusione. La ghisa grigia è particolarmente adatta per la realizzazione di casse per pompe, turbine e riduttori, anelli per pistoni, camicie per cilindri, alberi a gomito, tamburi dei freni, ingranaggi e carcasse di motori a scoppio, parti di forni, caldaie, bruciatori e crogioli. Questo materiale, inoltre, ha un largo utilizzo nella costruzione di basamenti per macchine utensili, soggette a vibrazioni, per le sue proprietà elevate di smorzamento.

Trattamento termico di distensione

Trater, su getti anche particolarmente complessi, in ghisa grigia esegue, principalmente, trattamenti termici di distensione allo scopo di eliminare le tensioni residue generatesi durante il processo di fusione. Applicando una particolare cura nell’esecuzione di questo processo, è ottenibile una riduzione cospicua dello stato tensionale residuo garantendo una ottimale stabilità geometrica del manufatto durante le lavorazioni meccaniche e riducendo la probabilità di innesco e propagazione di cricche in esercizio.

Il trattamento consiste nello scaldare le fusioni ad una temperatura tale per cui la ghisa ha un bassissimo carico di snervamento e attraverso scorrimenti viscosi del materiale si ha il rilassamento delle tensioni di trazione e compressione presenti nel pezzo.

Come per le strutture in acciaio, anche in questo caso, durante i trattamenti di distensione è importantissimo che i manufatti siano riscaldati e raffreddati uniformemente evitando, cioè, che si vengano a determinare elevate differenze di temperatura tra le singole parti dei pezzi e nel loro spessore a cui corrisponderebbero differenti dilatazioni con inevitabile plasticizzazione locale del materiale con generazione di sforzi di entità sufficientemente elevata da determinare stress residui (al termine del trattamento) e, nei casi peggiori, rotture del materiale (in tutte le fasi del trattamento).

Possono essere soggetti a tali fenomeni tutte le fusioni in ghisa di alto spessore data la scarsa trasmissione del calore per conduzione, propria di questo materiale, e i getti con geometria complessa in cui sono presenti forti variazioni di spessore, camere parzialmente chiuse e nervature complesse.

In Trater, in questi casi, sono adottati cicli particolarmente lenti di riscaldamento e raffreddamento e viene curato in modo molto particolare il controllo e la misura della temperatura nelle parti più critiche dei manufatti, posizionando a contatto del materiale un numero adeguato di termocoppie. E’ importantissimo inoltre evitare l’estrazione dal forno delle fusioni ad una temperatura superiore ai 150°C per evitare che un raffreddamento disuniforme del pezzo determini i fenomeni precedentemente indicati.

Cicli termici di distensione

Si eseguono a temperatura inferiore alla temperatura di trasformazione della perlite in austenite in un campo generalmente compreso tra 540 e 565°C, fino ad un massimo di 595°C. Il tempo di permanenza viene, generalmente calcolato in base allo spessore massimo della fusione anche se sono sufficienti pochi minuti per ottenere il rilassamento del pezzo. Come per tutti i trattamenti di distensione, più elevata sarà la temperatura raggiunta nella fase di permanenza, maggiore sarà l’efficacia del rilassamento.

Trattamento termico di lavorabilità mediante ricottura

Quando una ghisa, dopo la fusione, risulta particolarmente dura, impossibile da lavorare meccanicamente o presenta carburi immersi nella matrice ferritico-perlitica, si può eseguire il trattamento termico detto “di lavorabilità”, che abbassa di qualche punto la durezza del materiale, omogeneizzando la struttura di fusione e solubilizzando, parzialmente, i carburi. E’ un trattamento che si esegue ad una temperatura abbastanza elevata, nel campo compreso tra 700°-760°C, decomponendo il carburo di ferro in ferrite + grafite.

Trattamento termico di normalizzazione

E’ eseguito per migliorare le proprietà meccaniche (durezza e resistenza a trazione) della ghisa. Elimina gli effetti dei trattamenti come la ricottura o il preriscaldamento o postriscaldamento associati a processi di saldatura di riparazione. Si esegue a temperatura compresa tra 885°C – 925°C con una permanenza calcolata in un’ora per ogni pollice di spessore massimo. Il successivo raffreddamento avviene in aria calma.

Conduzione dei trattamenti

In Trater un reparto di 9 persone divise in tre turni che operano 24 ore su 24, si occupa esclusivamente della preparazione dei trattamenti e della sorveglianza dei cicli termici. Gli addetti sono formati con corsi specifici di metallurgia, tecnologie di saldatura, modellistica dei sistemi termici, sistemi di combustione, elettrotecnica e misure; seguono un programma continuo di formazione e aggiornamento. Interagendo con i sistemi automatici dei forni gli operatori controllano costantemente, che i pezzi raggiungano uniformemente la temperatura di permanenza e vi rimangano per il tempo prescritto. E’ importante che i nostri clienti possano contare su un fornitore strutturato e affidabile come Trater, che ha a disposizione personale e mezzi per eseguire al meglio i cicli termici e fornire pezzi sempre conformi alle specifiche.

TRATTAMENTI TERMICI SUGLI ACCIAI DI QUALITà

Il trattamento consiste nello scaldare i manufatti ad una temperatura tale per cui l'acciaio ha un bassissimo carico di snervamento. Alla temperatura di permanenza gli sforzi residui, tramite scorrimenti viscosi di materiale, si riducono fino a non produrre più effetti significativi.

Quando si progetta un pezzo di carpenteria da sottoporre a trattamento termico bisogna prevedere dei rinforzi, anche provvisori, affinché i manufatti con le geometrie più leggere non collassino sotto il proprio peso, durante la distensione. Se le carpenterie sono costituite da tubi e scatolati, bisognerà prevedere opportuni fori di scarico dell'aria dalle camere chiuse (diametro 3 mm, per esempio, ottenibili anche non completando le saldature) per evitare il loro rigonfiamento a causa dell’aumento della pressione interna dell’aria, che a 600°C triplica il proprio volume, esercitando se vincolata una pressione (3 atmosfere) sufficiente a deformare il materiale privo di caratteristiche meccaniche per via dell'alta temperatura.

Carico dei forni e cicli termici

I forni, normalmente dedicati alla distensione delle carpenterie, sono di grandi dimensioni e ci permettono di trattare contemporaneamente un numero elevato di manufatti, disposti opportunamente per limitare i rischi di deformazione per schiacciamento e per ottimizzare l’uniformità di temperatura.

Controllo qualità

L'organico Trater conta più di 40 dipendenti. Il cuore dell'azienda è l'ufficio tecnico con 12 persone tra specialisti, ingegneri e addetti alla qualità. Il personale addetto al controllo qualità esegue, in conformità al nostro manuale, controlli standard e/o concordati con il Cliente sui manufatti soggetti a distensione.
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