Come Evitare Problemi nel Trattamento Termico

Quali sono le chiavi per eseguire con successo il trattamento termico degli ingranaggi? … e non solo.
La Risposta: Comunicazione e Pianificazione Avanzata della Qualità

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Hai appena ottenuto un nuovo progetto per la produzione di un particolare ingranaggio ed è il momento di cominciare a pianificarne la produzione. I trattamenti termici, quali, cementazione, tempra e rinvenimento, nitrurazione, carbonitrurazione, tempra a induzione, ecc…, sono operazioni critiche ma necessarie per la fabbricazione d’ingranaggi di buona qualità. Il trattamento termico conferisce resistenza ad usura, sviluppa eccellenti proprietà meccaniche e aumenta la resistenza a fatica.

Il trattamento termico, però, è anche fonte di molti problemi e di potenziali insidie tra i quali una quantità imprevedibile di distorsioni e deformazioni. Oltre alla distorsione causata dal trattamento termico in sé, le tensioni residue che sono già presenti nel particolare e indotte da lavorazioni precedenti (come, ad esempio, la produzione dell’acciaio, la forgiatura, le lavorazioni meccaniche e la rettifica) saranno rilasciate durante questa fase e si manifesteranno sotto forma di un ulteriore e imprevedibile deformazione che il trattamentista non può controllare.

Nelle operazioni di preparazione della carica e durante il successivo svuotamento il trattamento termico rappresenta un potenziale rischio per i danni che si possono verificare in superfici critiche dell’ingranaggio. Il caricamento manuale è, infatti, necessario per sistemare gli ingranaggi sulle attrezzature che andranno a formare la carica e quindi, dopo il trattamento, il nuovo trasferimento dalle attrezzature alle ceste; tutte queste manipolazioni sono potenzialmente dannose per gli ingranaggi.

Oltre alle deformazioni ed agli eventuali danneggiamenti degli ingranaggi che nella maggioranza dei casi vengono meticolosamente lavorati per raggiungere le strettissime tolleranza richieste, al trattamento termico vengono imposti molti requisiti da soddisfare: profondità di cementazione, durezza superficiale, durezza a cuore, microstruttura e proprietà meccaniche.

Il raggiungimento di tutti i requisiti può tramutarsi in una sfida per chi definisce tutti i processi di produzione dell’ingranaggio.

Ora, sei un esperto nella produzione di ingranaggi e sai gestire con buona maestria le lavorazioni meccaniche, la dentatura, la brocciatura e la rettifica, ma vedi come un male, purtroppo necessario, il trattamento termico che non fa parte delle tue aree di competenza. Così decidi di affidare questa operazione ad un trattamentista esterno.

Un importante questione spesso trascurata dai produttori di ingranaggi è: cosa e come può fare il trattamentista a conferire con continuità e ripetitività le caratteristiche richieste all’ingranaggio, in rispetto a tutte le specifiche geometriche e metallurgiche.

La risposta: la Comunicazione e la Pianificazione Avanzata della Qualità sono le chiavi per il successo.

Se i vostri ingranaggi sono sottoposti a trattamento termico in outsourcing è importante incontrare le persone che eseguiranno tale trattamento termico e prevedere e/o prevenire tutti i rischi già durante l’esecuzione del piano di produzione, ovvero ancora prima di lanciare la produzione. Spesso ci sono molti passi e attività di campionatura da fare per identificare tutti i potenziali problemi ed evitare che questi si verifichino dopo che la produzione sia stata avviata. Questo evita l‘affiorare dei problemi dopo che la produzione è già stata avviata e dover quindi trovarsi a risolverli mentre devono essere soddisfatte le richieste della produzione. Quindi, in sostanza, si tratta di perdere un po’ di tempo prima per evitare di perderne tantissimo dopo (e al tempo stesso avere a che fare con elevate percentuali di scarti).

L’esecuzione di un PPAP (Production Part Approval Process) da impostare durante la campionatura ha molti vantaggi. A parte la risoluzione dei problemi di pre-lancio, come discusso in precedenza, il PPAP può essere utilizzato anche per stabilire e documentare i processi di trattamento termico ripetitivi. Questo modo di fare assicura una progettazione di elevata qualità. Questo documento assicura l’integrità delle geometrie del particolare e obbliga i fornitori a segnalare e documentare eventuali cambiamenti di processo. La Pianificazione Avanzata della Qualità e gli strumenti di PPAP sono usati comunemente nel settore automobilistico e il loro uso si sta diffondendo ad altri settori industriali.

L’obiettivo di questo articolo non sarà come eseguire un PPAP, ma anzi, sarà quello di aiutare a identificare eventuali problemi che possono presentarsi con i vari processi di trattamento termico.

Fase 1: Lasciare che il trattamentista esegua una valutazione sulla fattibilità e sulle richieste specifiche.  Alcune domande che dovrebbero essere sollevate sono:

Immagine 2Ritieni che il trattamentista stia utilizzando gli attrezzi giusti per il posizionamento degli ingranaggi durante il trattamento termico? 

La posizione e l’orientamento degli ingranaggi durante il trattamento termico svolge un ruolo di estrema rilevanza sul risultato finale. Alberi lunghi e alcuni ingranaggi è preferibile posizionarli verticalmente per garantire i migliori risultati in termini di deformazione e di buona uniformità di riscaldamento e tempra. Segni o ammaccature possono verificarsi come risultato di contatti tra i denti o tra i denti e l’attrezzatura inoltre se non viene garantita un adeguata separazione dei particolari non si consente un buon flusso dell’atmosfera e del mezzo temprante. D’altro canto ingranaggi di diametro maggiore con fori passanti potrebbero avere risultati migliori in termini di cilindricità e circolarità se posizionati appoggiati in cesti invece che appesi. La progettazione e lo sviluppo di attrezzi di fissaggio e rastrelliere per ogni geometria specifica di particolare è fondamentale verso il raggiungimento di tolleranze dimensionali ristrette e garantire una buona uniformità dei risultati in un intera carica di ingranaggi. Di conseguenza sarebbe opportuno progettare e realizzare le migliori attrezzature per ogni particolare.

Le attrezzature utilizzate durante il trattamento termico lasciano dei segni sui particolari? 

Nei trattamenti di cementazione i particolari vengono lasciati in forno ad alte temperature per lunghi periodi di tempo. Tenere appesi in queste condizioni degli ingranaggi pesanti può portare alla formazione di piccole rientranze sul diametro interno dei fori lasciati dalle aste dove questi vengono alloggiati. Lo stesso potrebbe accadere mettendo ingranaggi su cesti, griglie o pianali che potrebbero lasciare dei segni nelle zone dove questi si appoggiano. Questo problema è più comune quando vengono richieste elevate profondità d’indurimento efficaci e quindi per cicli di cementazione lunghi e nel caso di particolari relativamente pesanti in cui una combinazione di elevate pressioni di contatto e lunghe esposizioni ad alta temperatura, dove il materiale risulta necessariamente più tenero, può deformarsi plasticamente attorno all’attrezzatura di fissaggio; di conseguenza è possibile, ad esempio, prevedere un cesto a maglia fine in modo da distribuire in modo uniforme e in più punti il peso dell’ingranaggio.

Sono previste operazioni secondarie o sono richieste particolari caratteristiche estetiche? Questi requisiti dovrebbero essere comunicati al trattamentista? 

Tanti ingranaggi richiedono operazioni secondarie, come raddrizzatura, rinvenimento con morsetti, protezioni anti-cementanti o anti-nitruranti, lavaggio, granigliatura, pallinatura, o l’applicazione di prodotti antiruggine utilizzati prima, durante o dopo le operazioni di trattamento termico. Comunicare questi requisiti al trattamentista è importante per evitare che questo riconsegni i particolari trattati non correttamente protetti, oppure sporchi, oppure arrugginiti o ancora, fuori tolleranza dimensionale.  L’approvazione dell’aspetto del particolare in termini di pulizia ed estetica è un aspetto importante e spesso trascurato o dato per scontato nell’esecuzione di un PPAP.

Il tipo di acciaio selezionato è compatibile con le esigenze richieste al trattamento termico? 

Spesso un materiale viene scelto perché è a basso costo, facile da lavorare, o il grezzo è subito disponibile nelle giuste misure. Tuttavia, alcuni materiali sono più difficili da cementare e indurire di altri. Gli acciai a minore temprabilità possono richiedere mezzi tempranti più drastici per trasformare correttamente lo strato cementato, con conseguente rischio di distorsioni aggiuntive durante il trattamento termico e/o un aumento del rischio di fessurazioni. Se la cementazione viene eseguita a bassa pressione sotto vuoto in molti casi il fluido temprante sarà un gas iniettato ad alta pressione nella camera del forno, in questo caso sarebbe più opportuno selezionare un acciaio a medio-alto contenuto di elementi in lega. Questo assicura un buon indurimento sia nello strato cementato sia a cuore, nonostante velocità di tempra più basse dovute allo spegnimento con gas.

Nel caso della nitrurazione, invece, dovrebbero essere utilizzati acciai con elementi in lega che tenderanno a formare nitruri con elevati livelli di durezza. Molto spesso, al trattamentista viene richiesto di nitrurare ingranaggi in acciai al carbonio con richieste di durezza che non possono essere ottenute se non con degli acciai, appunto, da nitrurazione.

Se questi costruttori, prima di produrre una lunga serie di ingranaggi, avessero chiesto se il materiale avesse potuto raggiungere le caratteristiche desiderate avrebbero risparmiato tempo, fatica e soldi. Interpellare il trattamentista o quantomeno consultare le norme relative al trattamento termico durante il processo di selezione dei materiali può rivelare che alcuni materiali possono non essere in grado di soddisfare i risultati desiderati o che potrebbe essere utilizzato un materiale diverso per ottenere risultati migliori.

Al trattamentista sono state fornite tutte le specifiche e le ultime revisioni del disegno?

Molte volte viene richiesta una quotazione relativa ad un trattamento termico senza che questa sia supportata da tutte le informazioni necessarie se non un singolo disegno rispetto a tutto il set di specifiche richieste. Se non sono presenti tutti i dati e le specifiche durante la fase di quotazione o di elaborazione del PPAP è possibile che il prezzo sia inesatto o che il processo non soddisfi tutte le specifiche.

Sono state comunicate tutte le procedure, i metodi e la posizione dove eseguire le ispezioni o i controlli sui particolari trattati?

Spesso ci sono dei particolari requisiti su superfici di lavoro critiche o in zone specifiche dove ispezionare la durezza o la profondità efficace di cementazione; queste particolari zone dovrebbero essere comunicate al trattamentista. Gli ingranaggi, in particolare, possono dare risultati diversi in termini di profondità di cementazione se misurati a partire dalla testa, sulla primitiva, o alla base del dente. La durezza a cuore viene talvolta intesa, a seconda del cliente finale, come cuore base dente oppure a cuore dente. I risultati su ingranaggi cementati o nitrurati spesso variano in base alla zona di ispezione o dal metodo di prova. E ‘importante comunicare queste esigenze in modo che il trattamentista e il cliente finale ottengano i migliori risultati.

Possiamo raggiungere un Cpk > 1.33 su requisiti quali durezza superficiale, durezza a cuore e profondità efficace? 

Molte campionature da cui nascono le specifiche di trattamento termico vengono effettuate su pezzi singoli o piccolissimi lotti e la numerosità dei campioni non è sufficiente per un approccio statistico affidabile. Tuttavia, se sono richisti intervalli di tolleranza molto ristretti, quando vengono effettuati dei campionamenti più estesi su pezzi all’interno di lotti molto numerosi è facilmente dimostrabile che un processo che accetti un Cpk maggiore di 1,33 è molto difficile da realizzare.

Un esempio che può verificarsi è quello di un produttore di ingranaggi a cui viene imposta una durezza superficiale a disegno di 58-62 HRC da parte di un loro cliente. Questo particolare produttore di ingranaggi vuole assicurarsi che il proprio trattamentista stia sempre all’interno di quell’intervallo di durezza superficiale e di conseguenza decide di limitare ulteriormente la forcella della durezza superficiale a 59-61 HRC, probabilmente pensando che questa restrizione li avrebbe assicurati nei confronti del trattamentista; in realtà questo è servito solo a rendere la vita molto più difficile sia per chi tratta il particolare sia per chi lo ha commissionato. Con l’intervallo più stretto di durezza superficiale ammissibile l’obiettivo di ottenere un Cpk relativo alla durezza superficiale maggiore di 1.33 diviene praticamente impossibile.

Molti trattamentisti accetteranno una serie di due o tre punti per la durezza superficiale HRC. In realtà essi possono soddisfare tali requisiti se viene ispezionato un numero limitato di pezzi; tuttavia, essi non possono o non vogliono rendersi conto che, se viene controllato un elevato numero di particolari, e il Cpk è inferiore a 1,33, alla fine ci saranno particolari prodotti con letture di durezza agli estremi della curva a campana di una distribuzione normale dei risultati di durezza che saranno al di fuori dai limiti di specifica. L’analisi statistica delle distribuzioni di durezza è una parte fondamentale dello studio di capacità di processo. Questo può portare allo scarto da parte del cliente se non identificato e risolto durante il processo PPAP. Una grande quantità di particolari deve essere controllata durante il processo PPAP e il Cpk dovrà essere calcolato per ciascuna delle caratteristiche fondamentali.

I trattamentisti devono tipicamente ispezionare un minimo di 30 pezzi per la durezza e la profondità efficace per disporre di dati sufficienti per calcolare una stima accurata del Cpk. La pratica migliore è quella di individuare le specifiche in cui la capacità di processo potrebbe non essere raggiunta durante il PPAP e discutere di un’eventuale apertura di tali specifiche con l’obiettivo di mantenere il più elevato possibile il Cpk.

Nel precedente esempio, dove è stato fornito un disegno d’ingranaggio con ridotto intervallo di durezza superficiale 59-61 HRC, il trattamentista dovrebbe analizzare i risultati dei controlli di durezza e determinando la sua capacità di processo molto probabilmente troverebbe un valore di Cpk di circa 0,62. Il produttore di ingranaggi di conseguenza avrà numerosi scarti durante la pre-produzione in quanto di tanto in tanto potrebbero essere trovati particolari con durezza di 58 o 62 HRC e la produzione potrebbe subire una battuta d’arresto.

L’esempio si potrebbe ragionevolmente concludere in questo modo: dopo molte discussioni e l’ispezione di centinaia di particolari provenienti da più cariche, il trattamentista è stato in grado di convincere il produttore di ingranaggi che il campo delle specifiche era effettivamente irraggiungibile e il produttore di ingranaggi ripristina le tolleranze richieste dal disegno fornito dal cliente finale, 58-62 HRC.

Fase 2: La campionatura come Studio di Processo

Le campionature sono una buona idea per lo sviluppo di un processo, in quanto consentono al trattamentista di eseguire prove, misurare i risultati del processo e di mettere a punto tutti i parametri di trattamento termico. Generalmente sono necessarie più campionature prima dell’esecuzione del PPAP; questo non deve essere considerato come causa di ritardi o perdite di tempo ma come una visione completa del processo e delle sue variabili in modo che la produzione possa proseguire senza intoppi e con indici di capacità Cpk più elevati una volta avviata.

Le campionature di sviluppo del processo sono particolarmente utili anche al costruttore di ingranaggi in quanto può acquisire dati sulle variazioni dimensionali che avvengono durante il ciclo termico in modo che possa apportare le opportune correzioni dimensionali al fine di ottenere le tolleranze desiderate dopo il trattamento termico. Questo perché, fortunatamente, mentre è frustrante che la deformazione non possa essere prevista prima di un primo trattamento di prova, la deformazione da trattamento termico è generalmente ripetibile da carica a carica fermo restando che le dimensioni della carica e i parametri di processo rimangano invariati.

Fase 3: Eseguire il PPAP: l’ultimo passo per un buon processo di trattamento termico.

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Per un buon PPAP sarebbe opportuno prevedere dei campionamenti con infornate a pieno carico sia si tratti di forni discontinui sia si tratti di forni continui, infatti, l’esecuzione di campionature di qualche pezzo o piccole parti di un’intera carica potrebbero non dare gli stessi risultati della carica interamente dedicata. Molto spesso i produttori d’ingranaggi richiedono campionature con piccole quantità perché o non hanno una grande quantità di particolari disponibili o perché non vogliono sacrificarne un gran numero. Il pericolo dell’esecuzione di cariche di prova di piccole dimensioni è che il forno e i particolari si possano riscaldare con gradienti di temperatura differenti rispetto a quando il forno è completamente carico. Discorso simile quando i particolari dovranno essere temprati o raffreddati; in questo caso potremmo assistere a velocità di raffreddamento differenti ad esempio fra i pezzi posti all’esterno e quelli al centro della carica. Le fasi di riscaldo e di spegnimento possono influenzare le proprietà finali con il rischio di ottenere risultati differenti soprattutto a livello dimensionale e di proprietà meccaniche. Se sottovalutiamo questo aspetto i risultati potrebbero variare rispetto al PPAP e queste differenze potrebbero esibirsi quando la produzione è a pieno ritmo e naturalmente potrebbero verificarsi numerosi scarti di produzione.

In un PPAP dovrebbero essere ispezionati un numero significativo di particolari, rappresentativi di tutta la popolazione dei pezzi trattati. In forni discontinui, solitamente, il trattamentista seleziona i particolari da ispezionare dagli otto angoli esterni della carica con alcuni sparsi nel centro; sarebbe opportuno assicurarsi che questi pezzi siano tutti controllati. Inoltre, sarebbe buona norma etichettare i particolari ispezionati in funzione della loro posizione nella carica in modo da assicurarne la tracciabilità e poterli confrontare con le diverse infornate. Per i forni di tipo continuo, i particolari selezionati per l’ispezione dovrebbero includere i primi pezzi entrati nel forno, gli ultimi usciti e quelli a metà “corsa”.

Tipicamente per un PPAP è consigliato un numero minimo di 30 particolari da ispezionare, selezionati come sopra descritto, per le prove di durezza e per la misurazione della profondità d’indurimento efficace, ecc..; naturalmente maggiore è la quantità di particolari ispezionati maggiore è la precisione nel calcolo della capacità di processo. I valori del Cpk dovrebbero essere calcolati e indicati per tutti i risultati delle ispezioni. A questo punto bisognerebbe discutere ogni eventuale caratteristica con Cpk inferiore a 1.33 per valutare se sia il caso di modificare il processo o le specifiche tecniche richieste con l’obiettivo di portare l’indice Cpk al di sopra di 1.33 e quindi avvalersi di un processo più robusto. Se il PPAP accettata valori di Cpk inferiori a 1.33 per alcune specifiche, significa che viene accettato il fatto che potrebbe esserci una piccola percentuale di particolari al di fuori dei requisiti indicati a disegno. Nel caso in cui si verifichi quest’ultima ipotesi sarebbe opportuno segnalarlo a tutte le parti (clienti e fornitori) in modo che tutti possano approvare e riconoscere questa situazione prima dell’inizio della produzione.

I piani di processo FMEA e i piani di controllo del processo sono documenti chiave. Questi documenti indicano quali sono i parametri di trattamento e quali controlli sul processo e sul particolare dovranno essere utilizzati; in sostanza un PPAP costringe il trattamentista a considerare la lavorazione di quel dato ingranaggio come un processo fisso e immutabile. Questo perché molti trattamentisti saranno spesso tentati dal mescolare particolari di clienti diversi ma con cicli termici compatibili nella stessa carica per utilizzare tutta la capacità utile del forno ottimizzando, di conseguenza, tempi e costi. Questo di fatto esclude che il ciclo  sia ottimizzato per un dato tipo di particolare. Il PPAP, così facendo, rende rigido il processo e migliora la ripetibilità dei risultati da carica a carica.

I grafici del forno dovrebbero far parte del pacchetto PPAP in modo tale che la documentazione delle condizioni del forno al momento della costruzione del PPAP può essere rivista. In caso di problemi il confronto dei grafici del forno da un ciclo che ha generato particolari conformi da un ciclo che ha generato particolari non conformi può essere uno strumento utile nello svolgimento delle analisi sulle cause delle non conformità e a quale fase, nell’intero processo di produzione, possa esserne additata la causa.

Il PPAP dovrebbe includere anche una completa analisi microstrutturale pre e post trattamento termico. Molti particolari hanno come unici requisiti la durezza superficiale, la profondità di cementazione e la durezza a cuore, senza nessun requisito di tipo microstrutturale. Si ricorda che a parità di durezza possiamo trovare valori di tenacità e resilienza diversi e che a meno di una verifica sperimentale di tali caratteristiche solo una valutazione della bontà della microstruttura può indicare se sia ragionevole o no un buon comportamento del materiale in tal senso.

Il PPAP può contenere indicazioni per esaminare la microstruttura ed evitare potenziali problemi quali: eccessiva austenite residua, presenza di cementite secondaria, ossidazione intergranulare, decarburazione, presenza di carburi di forma e posizione anomala, reti di nitruri, eccessiva coltre bianca, prodotti di trasformazione intermedi non desiderati, presenza di ferrite negli strati carburati o a cuore, ecc… Molte di queste caratteristiche microstrutturali sono indesiderate e potrebbero essere causa di possibili malfunzionamenti o rotture in esercizio, tuttavia, se non indicate nel disegno o nelle specifiche del particolare, potrebbero essere trascurate.

Un altro aspetto importante nell’esecuzione del PPAP sta nelle modalità di ispezione delle cariche di campionatura. Il trattamentista, come scritto sopra, dovrebbe eseguire tutte le misurazioni relative alla profondità di cementazione, alla durezza, e alla microstruttura, ecc.. su 30 pezzi numerati, ed etichettati in funzione di una mappa di carico, e documentare tutti i risultati. Idealmente questi stessi 30 pezzi dovrebbero essere ispezionati sia dal produttore di ingranaggi sia dall’utente finale in modo tale che tutte le parti possano ispezionare gli stessi particolari e stabilire se i risultati ricavati dal trattamentista corrispondono agli altri. Questo perché troppo spesso laboratori diversi producono misure diverse e riconoscere queste discrepanze nel PPAP può impedire di scartare o rendere non conforme il trattamento a causa delle sole discrepanze dei risultati. Il PPAP è un ottimo momento per verificare che tutte le parti stiano ispezionando gli ingranaggi utilizzando gli stessi metodi e che rilevino gli stessi risultati, o quantomeno risultati molto simili.

La fase finale del PPAP è quella in cui il produttore di ingranaggi o l’utente finale firmano il Part Submission Warrant (PSW) che sta a significare che essi hanno approvato il pacchetto PPAP del trattamentista insieme a tutti i risultati delle ispezioni e le condizioni di processo descritte. Questo dovrebbe decretare che il trattamentista è approvato per la produzione. Il trattamentista non dovrebbe permettere che la produzione possa cominciare senza essere in possesso del PSW firmato dal cliente. La PSW dovrebbe documentare, inoltre, eventuali modifiche imposte dal cliente in modo che l’intero processo di trattamento termico possa soddisfare tutte le esigenze.

Tutti questi strumenti di comunicazione e di tecniche di progettazione della qualità avanzata, se impiegati correttamente, possono aiutare i tecnici che producono ingranaggi e i trattamentisti a identificare e risolvere eventuali problemi che possono verificarsi prima dell’inizio della produzione. Come trattamentisti notiamo che molti nuovi progetti nelle prime fasi avvengono senza comunicazione, senza una pianificazione avanzata della qualità e senza pianificazione in generale. In molti casi l’assenza di comunicazione nelle prime fasi della produzione porta a scarti e non-conformità da parte del produttore d’ingranaggi o dall’utente finale senza ben conoscerne le motivazioni o capire quali modifiche potrebbero essere apportate per soddisfare le specifiche. Comunicare con chi esegue quotidianamente trattamenti termici consente di eseguire una pianificazione avanzata della qualità la quale permetterà produzioni più “fluide”, una riduzione degli scarti e l’eliminazione dei vari “mal di testa da trattamento termico”.

Immagine 4 Articolo ispirato da C. Zimmerman, C. Bassetti e P. Connor “How to avoid heat treatment problems when launching new gear programs” – Thermal Processing for Gear Solutions 2012