Nello sviluppo di una famiglia di acciai per applicazioni prestigiose ed ecologicamente compatibili il principale criterio è il contenimento dei costi complessivi di manutenzione e il miglioramento delle prestazioni.In Svezia la Ovako Steel, sussidiaria del gruppo SKF, ha realizzato e brevettato una nuova famiglia di acciai, che è stata presentata sul mercato con il marchio Ovatec. Essa ha lo scopo di soddisfare la richiesta di miliardi di componenti meccanici prodotti ogni anno in Europa e destinati ad applicazioni caratterizzate da gravose condizioni di lavoro. Comune a tali prodotti è la necessità di far fronte a una combinazione di forti sollecitazioni, temperature elevate e sostanze contaminanti in grande quantità e nello stesso tempo di durare a lungo. Il tutto a costi contenuti.

   I componenti dei cuscinetti e gli ingranaggi sono esempi tipici di tali prodotti, in cui si combinano robustezza e qualità costante.

   Gli acciai utilizzati per produrre tali componenti sono stati sviluppati più di cent’anni fa. Sebbene abbiano dato prova della loro validità nel corso di un secolo, le esigenze odierne in termini di compatibilità ambientale, produttività, costo di fabbricazione e prestazioni rende necessario riconsiderarne il progetto tenendo conto di tutta l’esperienza guadagnata nel frattempo.

La produzione odierna di componenti

Dato che la produzione su larga scala di componenti dalle elevate prestazioni si è evoluta parallelamente all’avvento delle automobili ai primi anni del secolo XX, su tali componenti è stato compiuto un ingente lavoro di ricerca per perfezionarne costruzione e prestazioni. Molta parte delle attività di ricerca e sviluppo sugli acciai utilizzati è stata indirizzata al miglioramento di varie caratteristiche, quali

• la purezza;
• e formabilità a caldo;
• la lavorabilità prima del trattamento termico (soft machinability);
• il trattamento termico senza distorsioni;
• il trattamento termico in linea;
• la lavorabilità su materiale duro (hard machinability);
• le prestazioni.

La futura produzione di componenti

Sfruttando la grande massa di conoscenze esistenti e i più avanzati strumenti di modellazione per prevedere le trasformazioni dei materiali sulla base della loro composizione, è stata concepita, realizzata e brevettata una nuova famiglia di acciai.

   Il comune denominatore di questa piccola famiglia di acciai è costituito dalla possibilità di impiego per la costruzione su vasta scala di componenti in un modo non possibile con gli acciai standard oggi disponibili. Tutti gli acciai Ovatec hanno per esempio la capacità di essere temprati in aria. Essi offrono inoltre ulteriori vantaggi che aprono loro la porta alla produzione di componenti destinati ad applicazioni gravose.

   Per la produzione di componenti oggi sono in uso centinaia di qualità di acciai standard. Un requisito comune è che per ottenere le proprietà richieste devono essere temprati, cosa che comporta un trattamento termico finale che conferisca loro la necessaria durezza e resistenza all’usura.

   I tre trattamenti termici oggi impiegati sono la cementazione, il rinvenimento per conferire tenacità e la tempra a cuore, a cui corrispondono tre categorie di acciai, gli acciai da cementazione, gli acciai bonificati e gli acciai a tutta tempra. L’acciaio da cuscinetti, che viene anche usato in altre applicazioni, è un tipico acciaio a tutta tempra.

   La famiglia Ovatec è stata studiata per inserire un membro in ciascuna delle tre categorie sopra citate. Questi tre acciai possono sostituire le centinaia di varianti usate attualmente nella produzione di componenti, oltre che offrire significativi vantaggi in termini di ambiente, economia e prestazioni. Proprietà comune di questi acciai sta nel fatto che possono essere temprati con un processo di raffreddamento lento a partire dalle temperature di formazione a caldo o di austenitizzazione. Gli acciai standard utilizzati oggi per la fabbricazione di componenti devono invece essere raffreddati molto rapidamente, cosa che, sfortunatamente richiede l’uso di mezzi di spegnimento inquinanti e rischiosi per la salute.

Purezza dell’acciaio

Nella moderna produzione di componenti per applicazioni fortemente caricate l’acciaio deve essere molto puro. Dato che le inclusioni non metalliche, sempre presenti, rappresentano punti di innesco della fatica, devono essere ridotte al minimo e la loro distribuzione attentamente controllata. Con l’attuale tecnica ad ultrasuoni per immersione la presenza delle grosse inclusioni può essere tenuta sotto controllo e con il particolare tipo di lega scelto per la nuova famiglia di acciai si possono produrre materiali molto puri. La fig. 2 dimostra che il tenore di ossigeno nelle colate di Ovatec 677 prodotte a regime è alquanto più basso di quello ottenibile con gli acciai standard per cuscinetti.

Formabilità a caldo

Nella fabbricazione di semilavorati per la produzione di componenti la fucinatura è un’operazione importante. Gli acciai Ovatec possono essere formati a caldo come gli acciai standard, ma la novità sta nel fatto che il calore di formazione può essere usato per ottenere subito le proprietà ottenibili dopo un tradizionale trattamento termico. La formazione a caldo si può effettuare secondo i processi tradizionali, in alcuni casi persino con uno sforzo di formazione leggermente minore. Con gli acciai tradizionali non è possibile attribuire ai componenti le proprietà finali richieste utilizzando

Lavorabilità

Per tutte e tre le varianti degli acciai Ovatec sono stati impostati adeguati cicli di trattamento termico per ottenere una lavorabilità pari se non, in molti casi, superiore a quella degli acciai tradizionali. Questo si spiega con il fatto che gli acciai della famiglia Ovatec presentano una struttura omogenea in tutte le varianti prodotte. La cosa è esemplificata in fig. 3 che fa un confronto dei dati di lavorabilità fra l’acciaio Ovatec 677 e l’SKF Grade 3.

Trattamento termico senza distorsioni

Grazie alla particolare temprabilità degli acciai della famiglia Ovatec è possibile ottenere una durezza molto elevata e una struttura eccellente anche quando i componenti vengono raffreddati in aria calma. Questo aspetto differisce da quello degli acciai tradizionali in cui, per essere sicuri di ottenere le proprietà desiderate, il raffreddamento a bassa temperatura deve essere effettuato in pochi secondi. La necessità di temprare rapidamente gli acciai attualmente impiegati causa variazioni dimensionali indesiderate e imprevedibili. Questo è uno dei principali inconvenienti che si incontrano nei trattamenti termici odierni. Con i nuovi acciai la rapidità di raffreddamento può essere significativamente ridotta senza rinunciare ad ottenere le proprietà volute (e spesse volte superandole), grazie ad un’appropriata scelta dei componenti delle leghe. Dato che, con una minore rapidità di raffreddamento, si possono ridurre in larga misura le distorsioni, si vengono a contenere in modo significativo gli altissimi costi dovuti alle operazioni di rettifica necessarie per ovviare alle imprecisioni geometriche.

   La famiglia Ovatec rende anche notevolmente più tollerante il processo di trattamento termico. Mentre un acciaio standard per cuscinetti la variazione di temperatura deve rimanere entro i 10 °C per ottenere le proprietà desiderate, la famiglia Ovatec permette una variabilità 30 volte tanto. Un esempio di ciò è fornito dalla fig. 4, in cui è messa a confronto l’ovalità del diametro esterno dell’anello esterno di 50piccoli cuscinetti orientabili a rulli prima e dopo la tempra in aria.

Trattamento termico in linea

Il trattamento termico degli acciai odierni si effettua in stabilimento in un’apposita officina o viene affidato all’esterno. Con gli acciai Ovatec è molto facile allestire un’unità di tempra compatibile con le lavorazioni di soft machining. Nell’ambiente di lavoro non si usano fiamme o sostanze pericolose; gli acciai Ovatec si possono temprare in modo molto affidabile. Il trattamento termico lo si può incorporare nella catena produttiva. Ovako Steel ha installato un impianto pilota per la tempra in aria di componenti, che è stato costruito in Svezia dalla Inline-hardening. Le celle di produzione pilota comprendono un’unità di soft machining abbinata a un robot che alimenta automaticamente l’impianto pilota di tempra, nel quale i componenti sono austenitizzati in un riscaldatore magnetico e raffreddati in tunnel in aria controllata, dopo di che passano al rinvenimento in un secondo riscaldatore magnetico. Il processo è rapido, affidabile, rispettoso dell’ambiente ed è in grado di produrre componenti entro tolleranze molto ristrette.

Lavorazione su materiale duro

Nella fabbricazione di componenti la fase più costosa è quella della lavorazione meccanica necessaria per ovviare alle distorsioni create dal trattamento termico. Non è raro che la rettifica finale di un componente quale un cuscinetto a rulli o una ruota dentata costituisca il 20–40 % del costo totale di fabbricazione.

   E’ stato provato che gli acciai della famiglia Ovatec sono in grado di ridurre il costo di questa operazione di finitura dopo il trattamento termico. La lavorazione su materiale duro (hard machining) è di per sé molto più semplice (fig. 5) e offre nuove opportunità che vedremo qui di seguito.

Prestazioni

Numerose prove effettuate dal Gruppo SKF e da enti esterni hanno dimostrato che la famiglia di acciai Ovatec offre ai componenti migliore durata a fatica, maggiore resistenza all’usura, migliore stabilità dimensionale, distorsioni da tempra notevolmente minori e proprietà maggiormente stabili.

Nuove procedure di lavorazione

La famiglia di acciai Ovatec offre opportunità del tutto nuove nella produzione di componenti. Un aspetto fondamentale di tali acciai è la possibilità di realizzare prodotti ad alte prestazioni permettendo loro di temprarsi con un raffreddamento a partire dalla temperatura di formazione a caldo. Con gli acciai esistenti questo non è possibile, a causa della loro conformazione. Il tradizionale acciaio da cuscinetti non potrebbe mai essere scaldato a una temperatura al di sopra di 900C e poi temprato senza andare incontro a gravi problemi di qualità. Per contro, gli acciai Ovatec si possono scaldare a 1200C e poi lasciare a temprarsi all’aria senza che subiscano conseguenze negative in termini di qualità.

   Tutto ciò significa che lo stesso calore del processo può essere usato per ottenere la tempra necessaria. Si è infatti visto che è possibile produrre gli anelli dei cuscinetti radiali a sfere direttamente dal tubo, lasciandoli poi raffreddare per la tempra sui letti di raffreddamento. Esiste pertanto la possibilità di sostituire il secondo riscaldamento, la lenta operazione di ricottura, la lavorazione prima del trattamento termico (soft machining), la tempra e una gran quantità di lavoro di rettifica degli anelli, semplicemente con una tornitura dura (hard turning) e una rettifica finale, ottenendo un risultato di altissima precisione dal punto di vista dimensionale e metallurgico.

   Un secondo esempio è dato dalla possibilità di sostituire con successo le attuali procedure di fabbricazione di cuscinetti di medie dimensioni (rollatura anelli, ricottura, soft machining, trattamento termico, rettifica, lucidatura) con una rollatura, un hard turning e una lucidatura.

   In entrambi gli esempi, si possono conseguire miglioramenti significativi nel contenimento dell’inquinamento ambientale. La ricottura richiede grandi consumi di energia, il soft machining esigenze fluidi di raffreddamento inquinanti, il trattamento termico consuma anch’esso molta energia, i gas protettivi e le sostanze di spegnimento necessarie con gli acciai odierni sono pericolosi per la salute e sono a rischio di incendio, la rettifica esige fluidi di raffreddamento inquinanti e lascia residui difficili da ricuperare. Sfruttando la capacità di temprarsi all’aria degli acciai della famiglia Ovatec, è facile realizzare una produzione di componenti praticamente non inquinante, abbinata a tempi di lavorazione estremamente brevi e ad una flessibilità molto elevata.

Thore Lund  

Ovako Steel AB, Svezia.