FABBRICAZIONE DELLE MOLLE: QUALI MATERIALI VENGONO USATI

Facciamo una carrellata dei materiali che vengono usati nella fabbricazione delle molle e del modo in cui vendono realizzati; la conoscenza è propedeutica ad approfondire le cause di rottura legate ai difetti superficiali.

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Quali sono le caratteristiche dei materiali impiegati nella fabbricazione delle molle e, in generale, di elementi con caratteristiche elastiche? Devono avere un alto carico di snervamento, in modo tale che la zona elastica del diagramma di Hooke sia la più estesa possibile.

In teoria il materiale elastico ideale è quello in cui il carico di snervamento coincide con la Rm, ovvero che mantiene la proporzionalità tra sforzi e deformazioni fino a quando si rompe.

In realtà nei materiali per molle il carico di snervamento (Rp02) è circa il 70% della Rm, che è già un valore notevole se paragonato a quello di altri materiali con per impieghi non elastici. Infatti i coefficienti di sicurezza impiegati negli acciai da costruzione generici, sono ben più alti di 0,7. Per intenderci K=1/0,7 è il valore che va usato per dividere la σ di rottura (Rm), per determinare la σ max da non superare nell’impiego del materiale.

I materiali per molle hanno Rm molto elevate e conseguentemente hanno Rp02 altrettanto elevati.

Per le molle a compressione/trazione per cui la sollecitazione del materiale non è assiale (σ), ma tangenziale, gli sforzi da considerare sono quelli tangenziali (τ), cioè quelli che nascono in caso di sollecitazione a taglio.

Per questi materiali si usa la regola pratica di considerare come σ max il 45% della Rm, anche se la sollecitazione responsabile dello snervamento è la τ.

Inoltre l’operazione di assestamento a blocco, che costringe il materiale a sconfinare nella sua zona elasto-plastica, riportandone una deformazione permanente, eleva il limite di utilizzo di circa il 10%, arrivando al 55-56% di Rm.

Come detto i materiali per molle devono avere una Rm elevata e quindi la domanda è: come si ottengono materiali con Rm elevata e quali caratteristiche chimico strutturali devono avere?

Il prerequisito per materiali con elevata Rm è la presenza del carbonio nell’analisi chimica. Successivamente le caratteristiche meccaniche vengono ricavate in due modi diversi:

• Incrudimento per trafilatura.
• Tempra

Trafilatura

Nel primo caso i materiali vengono strizionati e tirati in modo tale, che i loro strati superficiali si addensino, raggiungendo valori di durezza superficiale molto elevati.

Contestualmente il diametro del filo si riduce. Si parte da fili di diametro più elevato sottoponendoli a diversi passaggi di riduzione in impianti chiamati trafile.

All’interno del ciclo di fabbricazione ci sono anche trattamenti termici (patentamento e distensione), che servono per “affinare” la struttura dell’acciaio e permetterne la lavorabilità a freddo.

I fili trafilati grazie al carbonio presentano una “pelle” dura e un cuore più tenero. L’effetto è elevare la Rm del filo.

Tempra

In questo ambito sono utilizzati acciai legati al carbonio con C% di circa 0,5%. Gli elementi di lega più utilizzarti sono il Si, Cr, V, Ni. Dopo una prima lavorazione di riduzione del diametro, sempre per trafilatura, gli acciai subiscono un trattamento di tempra e rinvenimento che gli conferisce una struttura martensitica. Contrariamente ai trafilati, i pre temprati sono fili in cui la durezza del materiale è più costante lungo la sezione del filo, grazie all’effetto della tempra.

Materiali per fili trafilati per molle

1) Acciai al carbonio per impieghi elastici (0,5%< C%<1%), detti fili patentati al carbonio.

Il patentamento è un trattamento termico che avviene ad una temperatura di circa 500° C in un bagno di Sali di Piombo, che conferisce al materiale una struttura “perlitica”, che impedisce la rottura del filo durante la sua deformazione a freddo, al momento dell’avvolgimento/piega.

In ambito Europeo questi materiali sono normati dalla EN 10270-1. All’interno della norma i fili sono classificati per percentuale di carbonio L (low), M (medium) e H (high) e per tipologia d’impiego, statica (S) e dinamica (D). Si ottengono quindi le seguenti combinazioni SL, SM, SH, DM (di fatto non prodotta) e DH.

2) Acciai inossidabili. La caratteristica predominante è la presenza di elevate percentuali di Nickel (Ni) e Cromo (Cr) che conferiscono resistenza alla corrosione (inossidabilità). Dal punto di vista strutturale i materiali possono essere austenitici, ferritici, martensitici e bifasici. Quelli che trovano maggiore impiego nell’ambito delle molle sono gli austenitici, seguiti dai martensitici e bifasici. Come dice la parola, gli acciai austenitici presentano una struttura di tipo austenitico. Fino a poco tempo fa la norma di riferimento era la EN 10270-3, sostituita dalla UNI ISO EN 6931-1.

Questi acciai vengono ottenuti per incrudimento da trafilatura. Il filo di maggiore utilizzo è 1.4310 (Aisi 302), sia nella versione NS (normal strength), che HS (high strength). Gli HS si ottengono aumentando l’incrudimento per trafilatura o con l’aggiunta di elementi di lega, tipicamente il Molibdeno (Mo). In generale, a parità di diametro, le Rm degli inossidabili sono più basse di quelle degli acciai al carbonio.

Materiali per fili pre temprati per molle

I fili pre temprati per molle sono inclusi nella norma EN 10270-2. Sono classificati per analisi chimica e tipologia d’impiego. Possiamo avere:

• FD, impieghi statici.
• TD, impieghi moderatamente dinamici.
• VD, impieghi altamente dinamici, tipicamente nelle valvole dei motori, infatti V significa Valve.

A livello di analisi chimica ci sono i semplici pre temprati al carbonio e gli acciai legati. Gli elementi di lega conferiscono proprietà differenti.

I più diffusi sono i SiCr, ma ci sono anche i CrV: vengono usati per impieghi in alta temperatura (>120°) per il loro miglior comportamento di cedimento (rilassamento) sotto carico ad alta temperatura.

I SiCrV uniscono le caratteristiche di alta resistenza alla fatica con quelle della resistenza al cedimento in alta temperatura.

I SiCrVNi sono acciai ad altissima resistenza alla fatica, utilizzati in abbinato alla nitrurazione a freddo.

La caratteristica predominante dei pre temprati è l’impiego in situazioni in cui è richiesta una altissima resistenza a fatica. Sono nati per impieghi in ambito motoristico per il ritorno delle valvole del motore a scoppio (alte temperature ed elevato numero di cicli di lavoro). Il primo produttore di pre temprati è stato la Garphyttan (oggi Suzuki-Garpyttan) con la serie Oteva, che dopo la scadenza del brevetto sono stati implementati anche da altri produttori di filo per molle.

Altri materiali elastici

Esistono anche altri materiali utilizzati con scopi elastici, ma generalmente l’elemento predominante del loro impiego è altro; l’elasticità è un requisito secondario, anche se necessario.

Quindi, dove la conducibilità della corrente è la caratteristica più importante, si usano delle leghe di rame (ottone incrudito, bronzo fosforoso, leghe rame-berillio o rame berillio cobalto) che rappresentano un buon compromesso tra la garanzia di conducibilità e l’elasticità.

Se invece viene privilegiata la leggerezza, si usano le leghe di titanio. Ultimamente queste leghe hanno trovato particolari impieghi che sfruttano la memoria di forma del materiale attivata dai cambi di temperatura.

Per impieghi aerospaziali, dove le condizioni di temperatura sono severe (basse e alte temperature) o gli ambienti sono altamente corrosivi, si usano le leghe di Nickel.

In questo ambito si usano l’Inconel, il Monel, il Nimonic e l’Hastelloy.

Nell’orologeria invece viene privilegiata altissima Rm a causa delle alte sollecitazioni, dovute a ingombri limitati. In questo campo di applicazione operano le leghe Ni-Co, come il Phynox e l’Haynes.

Angelo Passarotti

Si laurea in ingegneria elettronica al Politecnico di Milano nel 1992. Dal 2000 lavora al Mollificio Valli come responsabile tecnico commerciale.

Acquisisce negli anni una consolidata esperienza nell’ambito del calcolo e degli aspetti tecnici legati alla produzione delle molle.

Da sempre appassionato di matematica e statistica, ha avuto modo di applicare le sue conoscenze nelle tecniche statistiche di controllo, negli aspetti metrologici e in generale in ambito pratico nei casi di problem solving e miglioramento continuo.