Un aumento della densità di potenza nelle trasmissioni meccaniche in acciaio comporta una maggiore durata e permette ai sistemi esistenti di trasmettere i carichi maggiori o ridurne ingombri e pesi. Dopo decenni di lavoro che hanno permesso di migliorare significativamente la qualità degli ingranaggi agendo su finiture superficiali e micro-geometrie, i trend si stanno rivolgendo al miglioramento della composizione chimica con nuovi materiali aventi purezze molto elevate.
Obiettivo: migliori performance dell’acciaio
Gli acciai cementati sono spesso la migliore scelta per la produzione di trasmissioni ad ingranaggi grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche. Hanno un contenuto di carbonio contenuto, tipicamente tra 0.1 e 0.2 wt%. La superficie cementata contiene carbonio in percentuali fino allo 0.85 – 1 wt%. Il carbonio è diffuso in modo omogeneo e permette di avere un gradiente tra la superficie ed il cuore. Il gradiente può essere controllato attraverso i trattamenti termici garantendo profili adeguati per ogni tipo di applicazione. Su un materiale, se opportunamente temprato, la cementazione permette di arrivare ad una superficie molto resistente a flessione, fatica da contatto e fenomeni di usura. Il contenuto di carbonio tra lo 0.1 e lo 0.2 wt% che si ha a cuore permette una buona resistenza a fatica da flessione e fatture da sovraccarico.
Il gradiente nel contenuto di carbonio gioca un ruolo importante anche nell’evoluzione degli sforzi residui durante il trattamento termico. Di conseguenza si viene a generare uno sforzo residuo di compressione in prossimità della superficie aumentando ulteriormente le performance a fatica. All’aumentare del contenuto di carbonio la temperatura alla quale la martensite si forma tende a decrescere. Per ogni incremento del contenuto di carbonio pari a 0.1 wt%, si ha una riduzione della temperatura di formazione della martensite di approssimativamente 50°F [1]. di conseguenza durante la tempra di un acciaio cementato si ha trasformazione della sola superficie. La formazione della martensite a partire dall’austenite porta ad un aumento del volume compreso tra l’1 ed il 4% [2][3]. Quando si ha una trasformazione iniziale del cuore a basso contenuto di carbonio la austenite in superficie è in grado di adattarsi all’espansione attraverso deformazioni plastiche. Solo successivamente questa viene a trasformarsi in martensite ed indurirsi. A cuore quindi non si hanno deformazioni plastiche ed incrudimento. L’espansione volumetrica della superficie risulta nella formazione di sforzi residui di compressione. Al fine di ottimizzare tali sforzi è importante avere un gradiente di carbonio che permetta la giusta trasformazione da austenite in martensite.
All’aumentare del contenuto di carbonio una volta che il materiale è stato indurito si ha una maggiore resistenza ma anche un decremento della tenacità. Questi fattori in competizione tra loro creano una sfida per il progettista. Al fine di migliorare le performance degli ingranaggi è importante avere sia buoni livelli di tenacità che sforzi residui di compressione. Il contenuto di carbonio a cuore ha l’impatto maggiore sulla resistenza ed è quindi quello su cui lavorare per primo per migliorare le performance dell’ingranaggio. Un uso attento degli elementi di lega è fondamentale per aumentare la tenacità a cuore. Bisogna anche considerare l’impatto del contenuto di carbonio sugli sforzi residui. L’aumento del carbonio porta ad un decremento degli sforzi residui di compressione. La chiave è quindi aumentare il contenuto di carbonio fino a quando i benefici in termini di aumento della resistenza non vengano azzerati da una riduzione degli sforzi residui che si possono ottenere.
Tabelle 1 e 3 mostrano le proprietà meccaniche nominali di acciai per ingranaggi esistenti. Il valore di snervamento è collegato alla nucleazione della cricca mentre la durezza ed il valore di rottura sono correlati alla propagazione delle cricche. Le ultime 2 colonne mostrano i valori di fatica stimati come il 50% del valore di rottura ed in funzione della durezza rockwell C [4]. Le prove Charpy mostrano una correlazione bassa. Se valori relativi a prove di fatica flessionale sono disponibili, anche questi sono riportati nella tabella. In ogni caso i valori in rosso sono calcolati utilizzando le equazioni riportate in fondo ad ogni colonna.
Tabella 1 mostra le proprietà nominali di alcuni acciai da cementazione per ingranaggi una volta temprati tra 300 e 500°F. Resistenza energia di impatto Charpy e resistenza a fatica sono differenti ma i valori nominali di snervamento (130 KSI), rottura (175 KSI) e limite di fatica (80 KSI) sono quelli caratteristici per questa classe di materiali. Valori Charpy tra 15 e 65 ft-lbf sono inversamente correlati alla resistenza. Ai valori nominali di resistenza l’energia d’impatto è pari a 30 ft-lbf.
Tabella 2 mostra le proprietà nominali di alcune leghe speciali per uso militare o aeronautico che possono operare anche in condizioni di assenza di lubrificazione. In questi casi la necessità di utilizzo anche in assenza di lubrificante con le conseguenti alte temperature di esercizio richiede elevate durezze superficiali resistenze a cuore e tenacità. Le performance di questi materiali sono impressionanti ma anche il prezzo è molto alto. I rimanenti acciai descritti in questo articolo, a che includono anche il nuovo acciaio ultraresistente ad elevata tenacità hanno invece prezzi molto più contenuti.
Tabella 3 mostra le proprietà nominali dell’acciaio ultraresistente temprato a 400°F. Per questo acciaio il contenuto di carbonio è compreso tra lo 0.24 e lo 0.34 wt%. Il livello di carbonio cade nel range previsto dalle direttive sulla cementazione per ottenere una buona distribuzione di sforzi residui ed aumentare al contempo le proprietà elastiche e a fatica nel cuore. I valori nominali di snervamento e rottura sono indicativamente pari a 180 e 230 KSI. Il limite di fatica è pari a 115 KSI. Per questo acciaio un aumento della resistenza sia a discapito della tenacità che si riduce al range 20 – 35 ft-lbf. Se la resistenza e le proprietà a fatica sono aumentate rispetto agli acciai tradizionali (come mostrato in Tabella 1), la tenacità e inferiore agli acciai tipicamente utilizzati.
Il passaggio da un acciaio cementato tradizionale a nuove leghe è un processo che richiede tempo e risorse. Al fine di giustificare cambiamento è importante avere un aumento delle proprietà elastiche pari ad almeno il 25 per 100 in combinazione con un aumento altrettanto elevato nella tenacità. I valori minimi richiesti risultano quindi:
• 180 KSI YS,
• 220 KSI UTS,
• 110 KSI limite di fatica
• 40 ft-lbf Charpy
Pubblicazioni precedenti hanno descritto come un miglioramento della purezza degli acciai permetta un aumento delle performance anche per gli ingranaggi [5]. Queste tecnologie offrono soluzioni interessanti per applicazioni critiche ad elevata densità di potenza. Le tecnologie per ottenere e valutare acciai puri sono molte e vanno dalle tecniche produttive come la fusione ad arco alle tecniche di indagine come la scansione al microscopio elettronico (SEM). In questo modo è possibile avere acciai certificati che permettono un aumento delle prestazioni del sistema.
