Le specifiche di durezza dominano i progetti di trattamento termico di forgiatura. Molti disegni non portano nulla oltre i valori HB o HRC, oltre a un margine di distorsione consentito. Ma il controllo di qualità-guidato dalla progettazione prevede zone di trattamento termico più profonde-localizzate, i requisiti di profondità della custodia per i componenti temprati in superficie-e l'interazione della durezza del nucleo danno forma all'affidabilità del componente finale. Gli obiettivi prestazionali determinano ogni indicatore.
Durezza: la metrica principale con un avvertimento critico
I test di durezza dominano la verifica della qualità in officina:-rapidi, non distruttivi ed-economici. La correlazione tra durezza e resistenza alla trazione lo rende un surrogato pratico per la valutazione delle proprietà meccaniche quando le prove di trazione complete non sono pratiche. ASTM A909/A909M collega esplicitamente la durezza ai requisiti di resistenza allo snervamento, resistenza alla trazione, allungamento e duttilità nei pezzi forgiati di acciaio al carbonio microlegato.
Ma il cieco affidamento ai valori di durezza manuali crea fallimenti sul campo. L'analisi della modalità di guasto deve raggiungere obiettivi di durezza.
Un martello per forgiatura a stampo da 10-tonnellate fabbricato in 40CrNi o 35CrMo ne è un esempio. Le specifiche iniziali prescrivevano una bassa durezza (241-270 HBW) in base al carico presunto dominato dall'impatto-. La vita della canna è rimasta breve. L'indagine sui guasti ha rivelato che il meccanismo principale è la frattura per fatica, e non il sovraccarico da impatto. L'aumento della durezza a 38-43 HRC ha prolungato notevolmente la durata di servizio. Una durezza inferiore sarebbe stata più sicura per l'impatto; una durezza più elevata si è rivelata corretta per la fatica.
I progettisti che calcolano le distribuzioni delle sollecitazioni, applicano fattori di sicurezza, convertono i requisiti di resistenza tramite tabelle di conversione della durezza standard e dicono che tutto è finito-perdono completamente il discorso sulla modalità di guasto. Gli stampi per il lavoro a freddo- offrono la lezione opposta. Le presse ad alta-precisione richiedono utensili ad alta durezza. La scarsa precisione della macchina combinata con una forte energia d'impatto, tuttavia, preferisce una durezza leggermente ridotta per prevenire la scheggiatura del tagliente o la frattura completa.
Equilibrio di forza-tenacità: la relazione complementare
I gradi di acciaio mostrano un comportamento di resistenza e tenacità reciprocamente esclusivi. I forgiati strutturali progettati con margini di tenacità eccessivi sacrificano la resistenza, determinando componenti sovradimensionati con durata a fatica limitata. Al contrario, gli utensili e gli stampi ottimizzati esclusivamente per la resistenza all'usura-massima durezza, minima tenacità-si fratturano prematuramente sotto l'impatto ciclico.
L'equilibrio appropriato emerge dall'analisi documentata delle condizioni del servizio. I valori di resistenza del materiale misurati da provini standardizzati raramente si traducono direttamente in effetti di resistenza strutturale del componente,-dimensioni, sensibilità all'intaglio e stati di sollecitazione residua alterano-le prestazioni nel mondo reale con margini sostanziali. La forza a livello di sistema-che coinvolge componenti adiacenti che interagiscono aggiunge un'altra variabile.
I differenziali di durezza ottimizzano la durata dell'assemblaggio. I cuscinetti volventi aumentano la durata utile quando la sfera scorre con una forza maggiore di 2 HRC rispetto alla pista. I pignoni di trasmissione automobilistici hanno prestazioni migliori quando la durezza della superficie supera l'ingranaggio di accoppiamento di 2–5 HRC. Materiale identico con identica durezza, al contrario, spesso produce scarsa resistenza all'usura in caso di contatto per sfregamento.
Coordinazione del nucleo e della superficie nei componenti temprati
Le parti-temprate-carburate, carbonitrurate, temprate a induzione, nitrurate-richiedono obiettivi di resistenza del nucleo specifici a una profondità fissa della custodia. L'eccessiva resistenza del nucleo riduce lo stress residuo di compressione superficiale benefico, diminuendo la resistenza alla fatica. Una resistenza insufficiente del nucleo sposta l’inizio della fatica nella zona di transizione, accelerando la propagazione delle cricche.
La norma ISO 18203 standardizza i metodi di misurazione della profondità della cassa nei processi termici tra cui fiamma, induzione, fascio di elettroni e tempra laser, nonché trattamenti termochimici come cementazione, carbonitrurazione e nitrurazione. Il documento definisce la profondità di cementazione come la distanza verticale dalla superficie al punto di misurazione della durezza che raggiunge 550 HV secondo ISO 6507-1. La profondità della durezza della nitrurazione specifica il punto in cui la durezza supera i valori fondamentali di 50 HV.
I rapporti di indurimento ottimali per gli ingranaggi carburati sono compresi tra 0,1 e 0,15 della profondità effettiva relativa della cassa. Molte specifiche esistenti sono sostanzialmente più profonde del necessario. Riducendo la profondità della cassa a questo intervallo ottimizzato si mantiene contemporaneamente la durata a fatica garantendo al tempo stesso un risparmio energetico misurabile.
