ROTTURA DELLE MOLLE: LA STRUTTURA DEL MATERIALE

ROTTURA DELLE MOLLE: LA STRUTTURA DEL MATERIALE

Parliamo dei fattori legati ai processi di fabbricazione dei materiali, che possono favorire la rottura delle molle stesse. Durante la produzione dei fili in generale e per molle in particolare, si possono generare difettosità sul filo, andiamo ad analizzare quelle che afferiscono la struttura del materiale.

 

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Ricordiamo brevemente e a grandi linee il processo di fabbricazione dell’acciaio.

In Italia la fabbricazione dell’acciaio avviene quasi esclusivamente in forno elettrico, quindi a partire da rottame che viene fuso tramite arco elettrico. Vengono poi aggiunti gli altri elementi chimici che contribuiscono a definire le caratteristiche dell’acciaio.

Il bagno liquido tramite una serie di strutture-dispositivi, viene trasformato in una colata che solidificandosi, produce solidi prismatici detti brame e billette, dal peso di circa 2 tonnellate.

Questi primi prodotti dell’acciaieria vengono raffreddati e successivamente trasformati.

La billetta viene riscaldata a temperature vicine ai 1.200° C, per rendere il solido plastico e incline alla deformazione, che avviene per trafilatura.

Durante la trafilatura con una serie di riduzioni successive (fino a 40), facendo variare la velocità di avanzamento da 5 m/min (inizio) a 100 m/s (intermedio) e infine a 150 m/min, si produce la vergella. La vergella è un filo tondo, fornito in matasse, che costituisce il prodotto finito dell’acciaieria.

 

La Struttura del materiale

All’interno di questa famiglia troviamo i difetti legati ai seguenti aspetti.

  • Processi di solidificazione, cioè i difetti che si creano nel passaggio tra la colata fusa (temperatura maggiore di 1.500° C) e il primo semilavorato (brama o billetta) con consistenza intermedia tra solido e liquido (temperatura 900-1.000°).
  • Processi di trafilatura che concernono i trattamenti termici, i passaggi di riduzione, la lubrificazione delle trafile e le velocità di raffreddamento. Il tutto si verifica nel processo di passaggio da billetta a vergella.

Sono difettosità la cui responsabilità è da attribuirsi all’acciaieria.

In questo ambito si trovano:

  • le inclusioni non metalliche;
  • le soffiature e le micro cavità;
  • le difettosità microstrutturali.

 

Inclusioni non metalliche

Le inclusioni non metalliche interrompono l’omogeneità strutturale del materiale, all’interno della matrice metallica si trovano elementi inglobati nel solido, ma che non appartengono al reticolo cristallino del metallo.

Le inclusioni possono essere di natura esogena o endogena.

Sono esogene le inclusioni dovute a frammenti del rivestimento refrattario dell’altoforno, che si staccano e cadono nel bagno, oppure dovute a scorie o materiali estranei presenti nei rottami usati per produrre l’acciaio e che inquinano la carica. Il loro effetto sulla struttura del materiale è identico a quello delle inclusioni endogene.

Sono endogene le inclusioni che si generano per reazione chimica all’interno del bagno di colata con ossigeno, zolfo, silicio e azoto, formando ossidi (globulari OG o allungati OA), solfuri (SS), silicati (OS) e nitruri. Sono classificate in classi morfologiche. La purezza della vergella è definita da una norma che prevede 9 classi (0 la migliore e 8 la peggiore). La classe viene attribuita in base al numero, alla distribuzione e alla morfologia delle inclusioni.

Questi composti sono non metallici, hanno consistenza solida e possono avere effetti deleteri anche in dimensioni molto piccole (15-20 micron).

Di fatto queste zone sono prive di elasticità, perché i composti sono molto duri e in caso di sollecitazione meccanica si fratturano.

La pericolosità di queste “isole non metalliche” è tanto maggiore, quanto è più gravosa l’applicazione a cui sono soggette le molle fabbricate con questo materiale e quanto sono più vicine alla superficie. Nelle molle altamente sollecitate, la cui durata a fatica deve essere praticamente infinita, la presenza di inclusioni non metalliche, deve essere prevenuta il più possibile. In tal senso sono stati sviluppati processi di colata, che permettono di avere acciai “puliti”, in inglese clean. Tra gli acciai pre temprati SiCr, SiV, SiCrNi, sono disponibili sul mercato versioni clean o superclean, in cui viene garantita una dimensione massima delle inclusioni non metalliche, nell’area sottostante la superficie del filo fino a 1 mm.

Qui di seguito un esempio di specifica per acciai clean per molle, in cui si certifica l’assenza di inclusioni non metalliche con dimensioni maggiori di 15 micron, in un’area d’ispezione di 1.000 mm2, fino a 1 mm sotto la superficie del filo. Per un acciaio superclean, la garanzia va estesa alle inclusioni superiori a 10 micron.

ROTTURA DELLE MOLLE - LA STRUTTURA DEL MATERIALE - specifica

Come detto le inclusioni sono più pericolose se si trovano vicino alla superficie e per questo motivo, in acciai ad alte prestazioni (pre temprati per molle valvola), si “pela” la vergella, ovvero si toglie lo strato superficiale della vergella. Si parla di vergella pelata.

In generale anche per altri impieghi la billetta di partenza viene molata, per eliminare gli strati superficiali, che presentano irregolarità e che con maggiore probabilità contengono le inclusioni non metalliche.

 

Soffiature e micro cavità

Le soffiature si generano nei processi di raffreddamento della colata, quando i gas possono rimanere intrappolati nella struttura solida in formazione. Questo tipo di difetti si individua eseguendo controlli radiografici e ad ultrasuoni sulle billette.

Appare chiaro che la soffiatura è una zona che interrompe l’omogeneità strutturale dell’acciaio e costituisce il punto d’innesco delle fratture.

 

Difettosità microstrutturali

Per spiegare le difettosità microstrutturali, dobbiamo prima spiegare cosa è la microstruttura dell’acciaio. Gli acciai hanno una struttura policristallina, che si evidenzia ispezionando un provino con il microscopio elettronico a scansione con specifici gradi d’ingrandimento. Si parla di microstruttura dell’acciaio.

Al microscopio la microstruttura in sezione appare come un agglomerato di strutture poligonali (i grani), fra di loro accostate come i tasselli di un mosaico.

Tale struttura si crea durante il processo di solidificazione della colata (nucleazione). Le caratteristiche della microstruttura dipendono dalla composizione chimica della colata e dal controllo dei gradienti termici di raffreddamento di colata.  Migliore è il controllo del raffreddamento (lento e uniforme) e più piccola è la dimensione del grano. Un grano piccolo (fine) è indice di qualità della microstruttura dell’acciaio. L’ente normativo americano (ASTM), ha creato una norma che classifica la dimensione del grano con una scala da 1 (grossolano) a 8 (fine). Per le vergelle di acciai per molle è preferibile avere un grado maggiore di 4 e per gli impieghi gravosi maggiore di 6-7.

ROTTURA DELLE MOLLE - LA STRUTTURA DEL MATERIALE - microstruttura

Microstruttura granulare

 

ROTTURA DELLE MOLLE - LA STRUTTURA DEL MATERIALE - dimensioni grano

Dimensioni del grano secondo scala non ASTM

 

La microstruttura viene determinata anche dal processo che produce vergella dalle billette. Le billette vengono scaldate a 1.200° C, e alla fine del ciclo nella fase in cui avviene la spiralatura per la formazione della matassa, la temperatura decresce da 1.200° a 500° C e in questa fase il materiale ricristallizza, con effetti sulla dimensione del grano.

È possibile affinare il grano con i trattamenti termici. Tali trattamenti sono basati su cicli di riscaldamento che devono avvenire con temperature sopra AC3 (temperatura di austenizzazione 870-880° C). Di fatto i trattamenti sono delle ricotture isotermiche a raffreddamento controllato, con gradienti di raffreddamento specifici e costanti.

Come detto il fattore chiave per la formazione della struttura granulare è il raffreddamento.

Difetti microstrutturali

I difetti microstrutturali più ricorrenti sono i seguenti.

Segregazioni

Il carbonio non è distribuito uniformemente, si concentra al cuore e impoverisce la superficie.

Difetti inter-granulari

Gli spazi tra un grano e l’altro vengono riempiti dai composti che hanno temperature di solidificazione più basse, tra queste le impurità e i composti Fe-C con struttura rigida come la cementite.

In queste strutture possono avvenire rotture che sfruttano le cricche che si creano tra i grani a causa dei composti rigidi tra un grano e l’altro.

Formazione localizzata di Martensite

La Martensite è una delle possibili strutture della lega Fe-C, particolarmente dura e di conseguenza fragile. È la struttura che tipicamente si forma nei processi di raffreddamento rapido, a fronte di un riscaldamento sopra Ac3. Nei processi di tempra è la struttura intermedia, che viene poi modificata con il rinvenimento, per raggiungere il grado di tenacità necessario per l’uso elastico dei componenti temprati. La Martensite non rinvenuta è una struttura rigida da cui si propagano le cricche.

Irregolarità del grano

Possono coesistere grani di diversa dimensione. Questa mancanza di uniformità compromette le caratteristiche meccaniche del filo.

Decarburazione

Come dice la parola, un fenomeno che porta alla riduzione della presenza del carbonio in una zona specifica del filo. Questa situazione si manifesta a livello superficiale, con effetti deleteri sulla resistenza a fatica della molla. La zona decarburata si presenta al microscopio di colore bianco e poco elastica e incline alla formazione di cricche. La decarburazione si crea durante il trattamento termico o in conseguenza a processi che portano al riscaldamento localizzato della materia prima. Per esempio la molatura delle billette. Nel caso dei fili temprati si possono avere decarburazioni localizzate dovute ad un non efficiente processo di raffreddamento del filo.

La norma EN 10270-1 e -2 prescrive per gli acciai che contengono carbonio, una profondità massima con difetti di decarburazione superficiale, pari all’1.5% dello spessore del filo.

Infragilimento da idrogeno

L’idrogeno si insinua tra i grani della struttura policristallina e deteriora le proprietà meccaniche dell’acciaio. Questa difettosità può capitare durante il decapaggio della vergella, prima delle riduzioni di trafila. La pulitura della vergella dall’ossidazione superficiale avviene con un passaggio in bagni acidi, normalmente acido solforico, che contiene idrogeno.

Se la vergella non viene adeguatamente ripulita, l’idrogeno penetra nella struttura del materiale e lo infragilisce.

Questi difetti si individuano con controlli non distruttivi (ultrasuoni) e/o eseguendo analisi al microscopio su provini prelevati all’inizio e alla fine della matassa di vergella.