Simulazione Numerica e Trattamento Termico

Dal Center of Heat Treat Excellence nasce CarbTool

Simulazione Stress Trattamento Termico

CarbTool è progettato per comprendere e modellare gli effetti dei parametri di processo sulla profondità dello strato cementato, la concentrazione di carbonio, la microstruttura, lo stress residuo, la distorsione e la deformazione.

L’idea di istituire, nel 1999, il Center of Heat Treat Excellence (CHTE), nacquedall’esigenza di sviluppare progetti di ricerca e rispondere alle esigenze del settore del trattamento termico a breve e a lungo termine attraverso la collaborazione tra l’industria e l’università. Il centro che fa riferimento all’istituto di ricerca Metal Processing Institute, diretto dal professor D. Apelian, è attualmente costituito da 30 aziende associate, tra cui John Deere, Caterpillar e Chrysler, che versano una quota annuale per finanziare diversi progetti di ricerca negli ambiti della fusione di metalli e leghe (Advanced Casting Research Center), Recupero e Riciclo (Center for Resource, Recovery & Recycling – CR3) e naturalmente il CHTE.

Uno dei frutti di questa collaborazione è stato lo sviluppo di un software, noto come CarbTool, per simulare il trattamento termico di carbocementazione. Questo software predice il profilo e la profondità dello strato arricchito di carbonio negli acciai cementati modellando l’assorbimento e la diffusione del carbonio durante tutto il processo termochimico.

CarbTool è stato utilizzato con successo per definire i parametri di processo per la cementazione di ingranaggi destinati ai settori automotive e aerospace. I risultati della simulazione possono essere utilizzati come condizioni iniziali per i modelli a elementi finiti (ad esempio DANTE, DEFORM, FORGE, ecc..) per predire la deformazione, la distorsione, le tensioni residue e la microstruttura degli acciai carbocementati.

Cos’è la carbocementazione o cementazione (in breve)?

L’acciaio è una lega composta da ferro, carbonio e altri elementi necessari per ottenere le proprietà meccaniche desiderate. Riscaldando l’acciaio ad alte temperature (circa 820– 950°C) in un ambiente ricco di carbonio quest’ultimo viene assorbito e diffuso nell’acciaio. In questo modo si ha un elevato contenuto di carbonio in superficie (circa 0.9% in peso); il contenuto di carbonio diminuirà andando verso il cuore del pezzo fino al contenuto di carbonio dell’acciaio di partenza. Dopo questa fase di arricchimento chimico l’acciaio deve essere spento in olio o in gas ad alta pressione per formare martensite. Questo rende l’acciaio molto duro e, di conseguenza, fragile (soprattutto nella zona vicino alla superficie molto ricca in carbonio), quindi, è necessario eseguire un rinvenimento per trasformare la martensite in martensite rinvenuta; questo comporta un certo calo della durezza ma un sensibile incremento della tenacità dell’acciaio. Questo è molto in sintesi cosa accade nella cementazione tradizionale in atmosfera endotermica. Nella carbocementazione in vuoto (o cementazione in bassa pressione), invece, la sostanza del processo è molto simile ma il processo in sé è molto diverso, infatti, l’acciaio riscaldato sotto vuoto passa attraverso molti cicli di cementazione con l’aggiunta di piccole quantità di gas idrocarburici (tipicamente acetilene) che consento all’acciaio di assorbire carbonio. La numerosità di questi cicli è molto variabile a seconda del materiale, della durezza richiesta e della geometria del particolare da trattare e si può andare da due o tre a centinaia di cicli. Comunque, in entrambi i casi, l’obiettivo è ottenere una superficie dura per resistere all’usura e un cuore resistente e tenace per sopportare i carichi applicati in esercizio.

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Obiettivi della Simulazione

La sfida per il CHTE e per gli studenti e professori del WPI è stata quella di sviluppare modelli che potessero essere utilizzati per determinare i parametri di trattamento termico più efficaci per una particolare applicazione. L’obiettivo è limitare il più possibile le fasi di campionatura e i tentativi per risolvere eventuali problemi che possono insorgere durante tutto il processo termico evitando di conseguenza perdite di tempo e denaro.

CarbTool è stato sviluppato per calcolare il profilo di concentrazione di carbonio dell’acciaio durante i processi in vuoto e in atmosfera endotermica attraverso un algoritmo basato sul metodo delle differenze finite (FDM) e C + + di Microsoft Visual Studio.

Lo strumento è sviluppato sul concetto del flusso continuo di carbonio all’interfaccia tra il gas e l’acciaio ed il suo risultato è il profilo di concentrazione di carbonio all’interno dell’acciaio definito come una funzione del tempo. Nella cementazione in bassa pressione, invece, la simulazione è più complessa in quanto, oltre ai classici parametri di temperatura, tempo e potenziale di carbonio, è necessario controllare i flussi dei gas di arricchimento e i momenti di vuoto, ovvero, in assenza di gas. Il software lavora anche come ottimizzatore, di conseguenza, impostando dei vincoli (ad esempio la profondità di indurimento efficace o la temperatura di cementazione, ecc..), CarbTool calcola quali sono i parametri di trattamento che portano al risultato imposto in modo più efficace ed efficiente possibile. CarbTool contiene, inoltre, un modello di diffusione di massa 1D che è in grado di simulare i processi in gas e in bassa pressione sia in coordinate cartesiane sia in coordinate cilindriche.

Il prossimo step del software sarà quello di fornire una previsione del profilo di durezza in funzione della profondità e quindi della composizione chimica locale dell’acciaio e del mezzo temprante.Il gruppo di ricerca ha eseguito delle prove di confronto utilizzando 4 tipi di acciai AISI e UNS (9310, 8620, 5120 e 4320H) e sia per il processo con gas endotermici sia per il processo in vuoto i risultati si sono dimostrati molto incoraggianti.