Influenza delle microstrutture cristalline alternative sugli ingranaggi cementati

La cementazione è uno dei processi termochimici più utilizzati in ingranaggi e alberi che saranno soggetti a elevate sollecitazioni. Numerose osservazioni sperimentali mostrano come una buona microstruttura sia costituita da martenisite e austenite residua (meno del 30%). Esistono però delle strutture alternative. In una ricerca precedente si è posta attenzione a come differenti contenuti in termini di austenite residua influenzino la resistenza del materiale. Lo studio ha rivelato come all’aumentare della percentuale di austenite residua, la capacità di carico del fianco del dente possa anch’essa crescere. La resistenza a flessione a piede dente non risulta invece influenzata. Il progetto si è concentrato sulla capacità di carico di ingranaggi in 20MnCr5. Oltre al trattamento standard, grazie alla cementazione gassosa è stato possibile realizzare una struttura alternativa contenente un livello maggiore di austenite residua. Si è anche studiata una variante che nello strato superficiale contenesse bainite. I risultati hanno rivelato come strutture differenti abbiano anche caratteristiche meccaniche differenti, quali ad esempio il profilo di durezza o la capacità di carico del fianco, ma uguale capacità di carico a fatica flessionale.

Alberi e ingranaggi soggetti a elevati carichi vengono solitamente cementati. La microstruttura che si genera è martensitica con austenite residua. Raccomandazioni a riguardo si trovano anche nelle normative ISO 6336 [6] e AGMA 2101 [1].

In passato, il lavoro di ricerca sul trattamento termico era orientato all’ottimizzazione del processo al fine di avere un basso contenuto di austenite residua. In quest’ottica le raccomandazioni della normativa ISO 6336 [6] sono molto efficienti e portano a bassissime oscillazioni nei risultati che si ottengono (in termini di capacità di carico). In altre parole, si è in grado di agire sui parametri del processo termochimico al fine di variare a proprio piacimento la microstruttura del materiale.

Lo scopo di questo articolo è mostrare come vi siano però ancora margini di miglioramento non in termini di controllo del processo, ma di performance del prodotto finito. In particolare, questo è stato possibile grazie ad uno studio congiunto condotto da IWT (Bremen) sui trattamenti termici ed FZG (Monaco) per quando riguarda la caratterizzazione della capacità di carico degli ingranaggi.

Ingranaggi cementati: stato dell’arte

Da numerosi studi passati ([9] [12]) è emerso come avere uno strato di matensite con massimo il 30% di austenite residua permetta di ottenere le migliori proprietà meccaniche e capacità di carico. Questo è indicato anche nelle normative ISO 6336 [6] e AGMA 2101 [1]. Ricerche più recenti hanno studiato l’effetto di una maggiore quantità di austenite residua [8] sulle proprietà a fatica del materiale. A tale scopo la quantità di austenite è stata modificata agendo sui parametri del trattamento. I test di caratterizzazione della capacità di carico sono stati condotti su ingranaggi a denti dritti aventi modulo pari a 5 mm in 20MnCr5, 18CrNiMo7-6 e 20MoCr4. I risultati sono mostrati in Figura 1.

Nel caso degli ingranaggi in 20MnCr5, il limite di fatica a flessione a piede dente è risultato essere leggermente superiore negli ingranaggi cementati aventi austenite residua nell’ordine del 60-70% rispetto alla versione di riferimento. Questo sia per la versione pallinata che per quella non pallinata. Le versioni trattate termicamente di 18CrNiMo7-6 e 20MoCr4 (austenite residua pari al 55-65%) mostrano una leggera diminuzione del limite di fatica flessionale rispetto alle relative versioni non trattate. Per quanto riguarda la versione di riferimento del materiale 18CrNiMo7-6 va però considerato che il limite di fatica risultava già in partenza molto maggiore di quando previsto dalle normative (ISO 6336) considerando la qualità ME. Ad ogni modo, per tutte le varianti, i risultati sono sempre stati ragionevoli e allineati con quanto atteso.

Oltre alla fatica a piede dente, si è studiata anche la resistenza a fatica da contatto. I risultati sono mostrati in Figura 2. Si nota chiaramente come tutte le varianti cementate (con contenuto di austenite residua attorno al 60%) avessero una resistenza a fatica da contatto molto maggiore rispetto alle rispettive varianti di riferimento. Il risultato migliore è stato ottenuto per la variante in 18CrNiMo7-6.

I risultati hanno evidenziato come la cementazione e il conseguente aumento della austenite residua possano essere uno strumento per aumentare le prestazioni degli ingranaggi in termini di fatica da contatto. Questo tipo di trattamento, oltretutto, non influenza in modo negativo le prestazioni a fatica flessionale.

Per quanto riguarda i cuscinetti, si è anche registrato un effetto positivo dato dalla combinazione di strutture bainitiche e martensitiche ([2] [3]).

 

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Source: Stampi
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