01 Meccanismi fondamentali del trattamento termico che influenzano la durata degli ingranaggi

• Resistenza alla fatica da contatto superficiale dei denti: Resistenza alla vaiolatura (pitting) e alla sfaldatura sotto stress di contatto ciclico.
• Resistenza alla fatica flessionale alla radice dei denti: Resistenza alla fessurazione e alla frattura da fatica alla radice sotto stress di flessione ciclico.
• Durezza superficiale e resistenza all'usura: Capacità di resistere alla perdita di materiale sulla superficie dei denti sotto attrito radente e volvente.
• Tenacità e resistenza del nucleo: Fornire un supporto resistente per lo strato superficiale duro per prevenire lo schiacciamento o la frattura dei denti sotto carichi pesanti.

1. Tempra e Rinvenimento (Trattamento di Modulazione)

• Processo: Tempra + rinvenimento ad alta temperatura.
• Meccanismo: Mira principalmente alle proprietà del nucleo degli ingranaggi, producendo una struttura sorbitica rinvenuta che bilancia elevata resistenza e buona tenacità. Un nucleo resistente e tenace agisce come le fondamenta di un edificio, fornendo un solido supporto per i successivi strati di indurimento superficiale. Una resistenza del nucleo insufficiente può portare alla deformazione plastica dello strato superficiale duro sotto carichi pesanti, causando fessurazioni o indentazioni superficiali.
• Contributo alla durata: Migliora la resistenza e la tenacità complessive degli ingranaggi, in particolare la resistenza alla fatica flessionale alla radice dei denti, consentendo agli ingranaggi di resistere a carichi d'urto significativi. È tipicamente un pre-trattamento termico (applicato ai grezzi) per ingranaggi cementati e nitrurati.

2. Indurimento superficiale (ad es. Indurimento a induzione, Indurimento a fiamma)

• Processo: Riscalda rapidamente la superficie dell'ingranaggio alla temperatura di austenitizzazione, seguito da un raffreddamento rapido per indurire la superficie mantenendo la struttura e le proprietà originali del nucleo.
• Meccanismo: Forma uno strato di martensite ad alta durezza sulla superficie dell'ingranaggio, migliorando significativamente la durezza superficiale e la resistenza all'usura. L'indurimento a induzione è ampiamente utilizzato grazie alla sua rapida velocità di riscaldamento, alla deformazione minima e all'alta efficienza.
• Contributo alla durata:
  • Migliora notevolmente la resistenza alla fatica da contatto superficiale dei denti e la resistenza all'usura, resistendo efficacemente alla vaiolatura e all'usura.
  • Mantiene la tenacità del nucleo, consentendo agli ingranaggi di resistere a impatti moderati.
   
• Limitazione: Gradiente di durezza ripido con concentrazione di stress all'interfaccia tra lo strato indurito e il nucleo, che può causare la sfaldatura dello strato indurito sotto carichi pesanti estremi.

3. Cementazione e Tempra

• Processo: Riscalda e mantiene gli ingranaggi in acciaio a basso tenore di carbonio (ad es. 20CrMnTi) in un mezzo ricco di carbonio per diffondere gli atomi di carbonio nella superficie, seguito da tempra e rinvenimento a bassa temperatura.
• Meccanismo: Il processo di irrobustimento degli ingranaggi più ampiamente utilizzato e completo, che raggiunge la perfetta combinazione di "superficie dura e nucleo tenace":
  • Strato superficiale: Struttura di martensite ad alto tenore di carbonio con durezza eccezionale (HRC 58-62), resistenza all'usura e resistenza alla fatica da contatto.
  • Nucleo: Struttura di martensite o sorbite a basso tenore di carbonio con elevata resistenza e buona tenacità.
  • Significativo stress di compressione residuo nello strato superficiale compensa lo stress di trazione derivante da carichi esterni, migliorando notevolmente la resistenza alla fatica flessionale.
   
• Contributo alla durata: Estende in modo completo la durata degli ingranaggi, particolarmente adatto per applicazioni ad alto carico, ad alto impatto e con forte attrito (ad es. cambi automobilistici, ingranaggi del ponte posteriore). È uno dei processi più affidabili per garantire una lunga durata degli ingranaggi.

4. Nitrurazione

• Processo: Riscalda gli ingranaggi (500-580℃) in un mezzo ricco di azoto per diffondere gli atomi di azoto nella superficie, formando uno strato di nitruro estremamente duro.
• Meccanismo:
  • Durezza superficiale ultra-elevata (HV 800-1200) con eccellente resistenza all'usura e prestazioni anti-grippaggio.
  • Deformazione termica minima dovuta alla bassa temperatura di lavorazione e alla mancanza di tempra.
  • Migliora la resistenza a fatica e la resistenza alla corrosione.
   
• Contributo alla durata: Particolarmente adatto per ingranaggi di precisione, ingranaggi che operano in condizioni di elevata usura, impatto moderato e quelli in ambienti ad alta temperatura o corrosivi.
• Limitazione: Lo strato nitrurato sottile (0,1-0,8 mm) si traduce in una capacità di carico inferiore rispetto agli ingranaggi cementati, con scarsa resistenza agli urti.

5. Carbonitrurazione

• Processo: Diffonde simultaneamente atomi di carbonio e azoto, combinando i vantaggi della cementazione e della nitrurazione.
• Meccanismo: Integra i vantaggi di entrambi i processi: maggiore resistenza all'usura e resistenza a fatica rispetto alla cementazione, temperatura di lavorazione inferiore con deformazione minima; strato di diffusione più profondo e migliore capacità di carico rispetto alla nitrurazione.
• Contributo alla durata: Un'eccellente alternativa alla cementazione, soprattutto per ingranaggi in acciaio a medio-basso tenore di carbonio sotto carichi moderati che richiedono resistenza all'usura, resistenza a fatica e deformazione controllata.