Tempra a Induzione: Recenti Invenzioni ed Innovazioni

La tempra a induzione è una tra le più antiche tecniche di indurimento superficiale ma le recenti innovazioni continuano a migliorarne la qualità.

Anche i denti dei tuoi ingranaggi meritano la giusta attenzione!

Cura dei denti

A seconda delle dimensioni dell’ingranaggio, della geometria del dente e della durezza richiesta gli ingranaggi possono essere temprati a induzione circondando l’intero ingranaggio con una bobina o, in particolare per gli ingranaggi più grandi, riscaldandoli dente-per-dente.

Il metodo della tempra dente-per-dente comprende tre tecniche alternative: tip-by-tip (cresta-per-cresta), gap-by-gap (valle-per-valle) e side-by-side (fianco-per-fianco). Quando si utilizza la tecnica tip-by-tip l’induttore circonda il corpo del singolo dente, mentre nella tecnica gap-by-gap, che è la più utilizzata, l’induttore deve posizionarsi simmetricamente tra i fianchi dei due denti adiacenti. Il terzo metodo, infine, è utilizzato soprattutto per le dentature con elevati moduli (da 30 in su) e consiste nel temprare prima tutti i fianchi di uno stesso lato e successivamente tutti i fianchi del lato opposto. E’ di fondamentale importanza garantire la corretta posizione dell’induttore rispetto ai denti tanto che spesso vengono utilizzati dei sistemi di posizionamento elettronici o dei sensori. La forma dell’induttore, invece, dipende dalla forma dei denti e dal profilo di durezza richiesto. Generalmente sia il metodo tip-by-tip sia il gap-by-gap sia il side-by-side non si adattano a ingranaggi di piccole dimensioni (moduli inferiori a 6) che vengono temprati con metodologie diverse.

Altre variabili rispetto alle tre tipologie di tempra dente-per-dente risiedono nelle modalità di scansione (o passata di tempra) a seconda che sia l’induttore a muoversi rispetto al pezzo o viceversa; ad esempio, per ingranaggi di grosse dimensioni è preferibile sia l’induttore a muoversi mentre il pezzo resta fermo. Anche in questo la tecnologia si sta evolvendo. Fino a circa un decennio fa era molto più probabile che fosse il pezzo a doversi muovere mentre l’induttore restava fermo, oggi e in futuro sembra essere sempre più probabile e possibile il contrario.

Durante l’esecuzione dei processi di tempra dente-per-dente deve essere rivolta particolare attenzione agli “effetti di bordo”; questo fenomeno può portare, soprattutto nelle zone spigolose o agli estremi del profilo ad un surriscaldamento in quanto queste zone concentrano una maggiore quantità di energia e risentono in modo più marcato delle correnti parassite. Un buon settaggio dei parametri della macchina (frequenza, potenza, velocità, tempi, ecc..) deve tenere in considerazione questi fattori per garantire l’uniformità del profilo temprato lungo tutto il dente.

Specifiche geometrie delle dentature o degli ingranaggi richiedono particolari algoritmi di controllo di processo. In passato era possibile controllare il processo solo attraverso la potenza disponibile, la velocità di scansione e la posizione dell’induttore. Oggi, le recenti innovazioni, consentono agli inverter di controllare in modo indipendente sia la potenza sia la frequenza; questo consente di ottimizzare le condizioni elettromagnetiche e termiche nelle fasi iniziali, intermedia e finale durante tutta la scansione massimizzando l’efficienza di riscaldo e l’uniformità di temperatura. La possibilità di controllare in modo indipendente questi due parametri ha permesso un grosso salto in termini di flessibilità e qualità della tempra a induzione.

Per la tempra di ingranaggi con denti di piccole o medie dimensioni è più frequente utilizzare le tecniche del tipo “single shot” e “a passata”. Per entrambi i casi la tempra avviene con il pezzo in rotazione mentre l’induttore circonda l’albero o l’ingranaggio. La rotazione del pezzo durante il suo riscaldamento assicura una migliore distribuzione dell’energia e di conseguenza delle temperature. In questo caso è possibile utilizzare uno o più avvolgimenti e, variando i parametri di processo, ottenere profili e profondità di tempra differenti. La scelta di un metodo piuttosto che l’altro è data dalla geometria del particolare e tale scelta influenza in modo sensibile le deformazioni causate al particolare trattato. Come dicono i nomi stessi dei due metodi il primo avviene in un solo colpo (riscaldo e spegnimento con induttore fermo) mentre nel secondo l’induttore o l’albero si spostano per temprare tutte le zone necessarie.

Di norma, quando è necessario indurire solo la testa dei denti dovrebbero essere applicate frequenze alte mentre per indurire le radici dei denti dovrebbero essere applicate frequenze inferiori. La combinazione di elevate densità di potenza e tempi brevi (passate veloci) provoca un indurimento meno profondo rispetto all’utilizzo di densità di potenza inferiori e tempi lunghi (passate lente); inoltre, la combinazione di questi due parametri influisce non solo sul profilo di durezza ma anche sulla zona di transizione tra la zona temprata e il materiale a cuore.

Molto spesso agli ingranaggi viene richiesto un indurimento di tutto il profilo dentato per evitare problemi come il pitting, lo spalling e la resistenza a fatica. L’incremento di queste proprietà avviene perché, generalmente, questo trattamento conferisce sollecitazioni residue di compressione benefiche all’interno della zona temprata pur minimizzando le deformazioni tipiche della tempra massiva. Molte volte, però, ottenere questo tipo di profilo di durezza può essere un compito arduo a causa delle differenze di densità di corrente, e quindi della disomogeneità delle temperature, lungo la dentatura.

A questo scopo è stata sviluppata la tempra a induzione con doppia frequenza in simultanea che utilizza due frequenze sensibilmente diverse sulla stessa bobina allo stesso tempo. La frequenza più bassa serve ad austenitizzare la base del dente mentre quella più alta ad austenitizzare i fianchi e la testa.
Fino a una decina di anni fa qualcosa di simile alla tempra con due frequenze in simultanea veniva realizzata con l’uso di due induttori e due generatori di potenza che entravano in gioco in maniera indipendente l’uno di seguito all’altro. Inutile dire quanto complesso era gestire e impostare i corretti parametri di processo. Negli ultimi anni, invece, è abbastanza comune l’utilizzo di due frequenze diverse in simultanea e, attualmente, è possibile l’utilizzo di frequenze molto diverse (pari anche ad un ordine di grandezza).

Tuttavia non è sempre vantaggioso avere due diverse frequenze che lavorano simultaneamente tutto il tempo. Molte volte, a seconda della geometria dell’ingranaggio, è preferibile applicare una frequenza inferiore all’inizio del ciclo di riscaldamento e solo dopo aver raggiunto la temperatura desiderata alla base del dente la frequenza più alta può integrare la frequenza più bassa completando così il lavoro.

Indipendentemente dall’evoluzione tecnologica del processo e di come e quando stiamo utilizzando questa tecnologia di estrema importanza è la tipologia di acciaio scelta e lo stato metallurgico iniziale. Gli studi sia accademici sia degli “addetti ai lavori” e sia la quotidiana esperienza lavorativa ci evidenziano l’importanza del materiale, infatti ad esempio, a parità di parametri di processo possiamo ottenere profili di indurimento e performance in esercizio molto differenti a seconda che l’acciaio sia allo stato ricotto, normalizzato o bonificato.

Naturalmente le migliorie avvengono anche nei materiali che possono sfruttare questa tecnologia. Negli ultimi anni, ad esempio, sono stati messi a punto alcuni acciai basso legati e con scarsa tendenza all’ingrossamento del grano che oltre ad avere un costo mediamente inferiore ai classici acciai utilizzati per questo processo, a causa del basso contenuto di elementi in lega come Mn, Cr, Ni e Mo, riescono ad essere temprati con relativa facilità nonostante la scarsa temprabilità di queste classi d’acciai; un esempio sono gli acciai chiamati per l’appunto TSH-LH (Through Surface Hardening – Low Hardenability).
Articolo ispirato da Dr. Valery Rudnev – Recent Inventions and Innovations in Induction Hardening of Gears and Gear-Like Components – Gear Technology Heat Treat – Mar/Apr 2013 … e da oltre 30 anni nella tempra a induzione.