L A RISPOSTA DEI METALLI
C A P I T O L O
II
A CC CC II AA II AA D
A
D AA LL TT AA R
R EE SS II SS TT EE N
N ZZ A
A
La sollecitazione residua a compressione indotta dalla pallinatura controllata è una percentuale del
carico di rottura. Tale percentuale aumenta all’aumentare del carico stesso di rottura o della durezza del
materiale. Metalli con maggiori carichi di rottura / durezza tendono ad essere fragili e maggiormente
sensibili ad intagli.
Questi limiti possono
essere superati con la
pallinatura controllata,
consentendo l’uso di
metalli ad alta
resistenza in
applicazioni a fatica.
I carrelli degli aeromobili
sono spesso progettati
con carichi di rottura a
2068 MPa (300 ksi)
prevedendo la
pallinatura controllata.
Senza la pallinatura
controllata, proprietà a
fatica ottimali per
FF iig
gu
ur
ra
a 2
2.
.1
1
Resistenza a fatica in rapporto al carico di rottura
componenti in acciaio
lavorati a macchina si
ottengono a circa 30 HRC (700 MPa). Con carichi o durezze maggiori, i materiali perdono in resistenza a
fatica a causa della maggiore fragilità e sensibilità agli intagli. Con l’introduzione di una sollecitazione a
compressione indotta dalla pallinatura, la resistenza a fatica aumenta in modo proporzionale
all’aumentare del carico di rottura o della durezza. Per esempio, a 52 HRC (1240 MPa), la resistenza a
fatica delle provette pallinate è 993 MPa (144 ksi), più del doppio della resistenza a fatica delle
gu
ur
ra
a2
2.. 1
1 - si è preso in considerazione un numero di cicli pari a 2
provette lucidate ma non pallinate (FF iig
milioni). [Rif 2.1]
Chiavi pneumatiche e utensili a percussione sono applicazioni tipiche in cui la pallinatura controllata
consente di avere eccellenti proprietà a fatica in combinazione con carico a rottura e durezza elevati.
Inoltre, la resistenza a fatica di parti pallinate non è diminuita da graffi o rigature poco profonde che
potrebbero invece essere dannosi per acciai ad alta resistenza non pallinati. [Rif 2.2]
10
C A P I T O L O
La cementazione e la carbonitrurazione sono trattamenti termici che consentono di ottenere superfici
particolarmente dure (comunemente tra i 55 e i 62 HRC). I vantaggi che si possono ottenere con la
pallinatura controllata degli acciai cementati sono di seguito riportati:
••
Benefici per le resistenza a fatica grazie a sollecitazioni a compressione di 200 ksi
(1379 MPa) o maggiori.
••
Riduzione dei carburi precipitati in modo anomalo a causa della ossidazione
Se si desidera ottenere le massime proprietà a fatica per parti cementate a cuore e carbonitrurate, la
durezza ottimale dei media per la pallinatura è di 55-62 HRC.
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
p l
l i
i c
c a
a z
z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
ALBERI A GOMITO CON ALTE PRESTAZIONI
Alberi a gomito per motori
a 4 cilindri ad alte
prestazioni, cedevano
prematuramente dopo
poche ore di test a carichi
di picco del motore.
Le prove hanno dimostrato
che cementando a gas e
pallinando l’estremità
della manovella si
ottenevano i migliori
gu
ur
ra
a
risultati a fatica ((FFii g
2.. 2
2
2)). Nitrurazione e
pallinatura dettero anche
risultati migliori rispetto
all’alternativa di
aumentare il diametro
dell’estremità della
manovella [Rif 2.3].
FF iig
gu
ur
ra
a 2
2.
.2
2
Comparazione tra effetti di pallinatura,
cementazione a gas e nitrurazione su crank pin
L A RISPOSTA DEI METALLI
A CC CC II A
A
A II D
D AA CC EE M
M EE N
N TT AA ZZ II O
ON
N EE
II
D EE CC A
D
AR
RB
BU
U RR AA ZZ II O
ON
N EE
La decarburazione è la riduzione del contenuto di carbonio sulla superficie di una lega ferrosa durante
trattamenti termici. È stato dimostrato che la decarburazione può ridurre la resistenza a fatica negli
acciai ad alta resistenza (1650 MPa, 240 ksi e oltre) di circa il 70–80% e negli altri acciai (965 - 1030
MPa) di circa il 45-55% [Rif 2.4,2.5,2.6].
La decarburazione è un fenomeno superficiale non particolarmente collegato alla profondità. Una
profondità di decarburazione di 0,076 mm (0,003 inch) può essere altrettanto dannosa per la resistenza
a fatica di una profondità di 0,76 mm (0,030 inch).
11
L A RISPOSTA DEI METALLI
C A P I T O L O
II
La pallinatura controllata si è dimostrata efficace nel ripristinare la maggior parte della resistenza a
fatica persa a causa di decarburazione [Rif 2.7]. Poiché in molte parti lo strato di decarburazione non è
facilmente identificabile, la pallinatura può assicurare la loro integrità se si sospetta la possibilità di
decarburazione. Se un ingranaggio costruito per avere durezza superficiale maggiore di 58 HRC mostra
impronte inusuali dopo la pallinatura, è probabile che abbia subito una decarburazione.
La decarburazione è spesso accompagnata da formazione di austenite residua. Lavorando a freddo la
superficie, la pallinatura riduce la percentuale di austenite residua.
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
p l
l i
i c
c a
a z
z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
RIDUZIONE DELL’AUSTENITE RESIDUA NELL’ACCIAIO 5120
CEMENTATO, PALLINATO CON INTENSITÀ 0,014"A
P rroo ff oo nn ddii tt àà (( pp oo ll ll ii ccii ))
P
0,0000
0,0004
0,0008
0,0012
0,0016
0,0020
0,0024
0,0028
0,0039
0,0055
P rr ooff oonn dd ii tt àà (( m
P
mm
m ))
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,10
0,14
Auu ss ttee nnii tt ee RR ee ssii dd uu aa
A
(( VV ooll uu m
m ee %
% ))
N oo nn PP aa ll ll ii nnaa ttoo
N
PP aa ll ll ii nnaa ttoo
5
7
14
13
14
14
15
15
15
12
3
4
5
6
7
7
8
9
10
10
[Rif 2.8]
G HH II SS EE SS FF EE RR O
G
O II DD AA LL II AA UU SS TT EE M
M PP EE RR AA TT EE
Miglioramenti ottenuti con ghise sferoidali austemperate (austempered ductile iron, ADI) hanno
permesso di sostituire getti e forgiati in acciaio in alcune applicazioni. L’ADI ha un alto rapporto
resistenza su peso e una ottima resistenza all’usura. L’ADI ha anche sostituito l’alluminio in alcune
applicazioni ad alta resistenza in quanto è almeno 3 volte più resistente e solo 2,5 volte più denso. Con
la pallinatura controllata, la resistenza alla fatica a flessione può essere aumentata del 75%: ciò rende
alcuni tipi di ADI pallinati paragonabili ad acciai cementati per applicazioni negli ingranaggi [Rif 2.9].
LL A
A GG HH II SS AA
Negli ultimi anni vi è stato una aumento della domanda di componenti in ghisa nodulare capaci di
sopportare carichi a fatica relativamente alti. Componenti in ghisa sono spesso usati senza essere
lavorati a macchina in applicazioni dove la superficie del pezzo è sottoposta a sollecitazioni dovute a
carichi. La presenza sulla superficie del getto di imperfezioni, quali punte di spillo, scorie, grafite in
scaglie, può ridurre considerevolmente le proprietà a fatica della ghisa perlitica nodulare. Il limite a
fatica di parti non intagliate può infatti essere ridotto del 40% in funzione della gravità delle
imperfezioni sulla superficie del getto.
12
C A P I T O L O
LL E
EG
GH
H EE D
D II AA LL LL U
UM
M II N
N II O
O
Le tradizionali leghe di alluminio ad alta resistenza (le serie 2000 e 7000) sono state usate per decenni
nell’industria aeronautica per l’alto rapporto resistenza su peso. Le seguenti leghe di alluminio sono
sempre più usate per applicazioni critiche in campo aeronautico e aerospaziale e rispondono
ugualmente bene alla pallinatura controllata:
•• Leghe Alluminio - Litio (Al-Li)
••
Compositi a matrice metallica isotropica (MMC, Metal Matrix Composites)
••
Alluminio in getti (Al-Si)
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
p l
l i
i c
c a
a z
z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
ALLUMINIO AD ALTA RESISTENZA Al 7050–T7651
Sono stati preparati provini
in Al 7050-T7651, pallinati
sui 4 lati. Sono state
condotte prove a fatica con
momento flettente applicato
a 4 punti (R=-1).
gu
ur
ra
a2
2..3
3 riporta le
La FFii g
curve S-N delle leghe
pallinate e non pallinate.
La pallinatura controllata ha
aumentato il limite di durata
a fatica di circa il 33%.
Anche quando la
sollecitazione è superiore al
carico di snervamento, la
resistenza a fatica dei
provini pallinati aumenta di
un fattore compreso tra 2 e
quasi 4 [Rif 2.11].
FFii g
gu
ur
ra
a 2
2.
.3
3
L A RISPOSTA DEI METALLI
La pallinatura controllata può migliorare significativamente la situazione quando sono presenti
imperfezioni piccole. Un’applicazione tipica sono le camicie dei cilindri dei motori diesel. Con l’intensità
di pallinatura più alta usata nelle prove, il limite a fatica ha raggiunto valori del 6% inferiori a quelli
ottenuti con campioni completamente lavorati a macchina (contro valori normali per campioni non
pallinati, che sono inferiori del 20%). Da un punto di vista visivo, la pallinatura ha un effetto simile alla
levigatura sulla superficie dei getti, diminuendone la rugosità [Rif 2.10].
II
Curve S – N per lega di alluminio
7050-T7651 pallinata
13
L A RISPOSTA DEI METALLI
C A P I T O L O
II
T II TT A
T
AN
N II O
O
FFaattii ccaa aadd aall ttoo nnuum
m eerroo ddii ccii ccll ii ((HHCC FF)) - La
Fii g
F
gu
ur
ra
a 2
2.
.4
4 mostra il comportamento di
bielle in lega di titanio (sottoposte a
lavorazioni diverse) usate da una nota
casa costruttrice di macchine sportive
Europea per automobili da
competizione. Con la pallinatura
controllata, il limite a fatica rispetto a
bielle in acciaio è stato aumentato di
circa il 20%, mentre il peso è stato
ridotto del 40% qualunque sia il
processo di produzione utilizzato [Rif
2.12].
FFaattii ccaa aa bbaass ssoo nnuum
m eerroo ddii cc iiccll ii ((LL CCFF)) Come per altri materiali, la vita a fatica
di componenti pallinati aumenta nei
casi di fatica a maggior numero di cicli.
Fatica ad alto numero di cicli è da
associare a sollecitazioni minori, mentre
fatica a basso numero di cicli, a livelli
di sollecitazione più alti. Ciò è visibile
gu
ur
ra
a1
1.. 4
4e2
2.. 5
5 con le
graficamente in FF iig
curve S-N.
gu
ur
ra
a 2
2.
.5
5 mostra i risultati ottenuti
La FFii g
pallinando scanalature a coda di
rondine in titanio in un componente
rotante di un motore [Rif 2.13]. Ci sono
2 curve base per le scanalature non
pallinate e 2 curve per le stesse
scanalature pallinate. Quando viene
applicata la pallinatura, la curva base,
che inizialmente sopportava un
numero di cicli maggiore prima di
cedere a fatica, risponde in modo
significativamente migliore. È da
notare che gli incrementi nella vita a
fatica sono su base esponenziale.
FFii g
gu
ur
ra
a 2
2.
.4
4
Resistenza a fatica per il titanio Ti6A14V
lavorato a macchina, lucidato e pallinato
FF iig
gu
ur
ra
a 2
2.
.5
5
LCF Benefici della pallinatura su provini
intagliati in Ti8-1-1
L’applicazione più comune di fatica a basso numero di cicli per il titanio è per componenti rotanti delle
turbine dei motori (dischi, rotori e alberi) con l’eccezione delle palette. Queste parti sono pallinate per
aumentarne la vita; ogni atterraggio e decollo è considerato come un ciclo di carico.
MA
M
AG
GN
N EE SS II O
O
Le leghe di magnesio non sono di solito usate in applicazioni a fatica. Comunque, quando usate per
ridurre i pesi, si può ricorrere a processi speciali di pallinatura controllata per aumentare la resistenza a
fatica di circa il 25 - 35%.
14
C A P I T O L O
Con parametri di pallinatura ottimizzati è possibile aumentare il limite di fatica di leghe di acciaio
sinterizzato del 22% e la vita a fatica di un fattore 10 [Rif 2.14]. Leghe sinterizzate e pallinate possono
essere usate per componenti automobilistici quali bielle e ingranaggi. In particolare la pallinatura è più
efficace con particolari sinterizzati ad alta densità, quali per esempio componenti forgiati in metallo
sinterizzato.
La pallinatura controllata, provocando un aumento della densità superficiale, aumenta
significativamente la resistenza a fatica, soprattutto nel caso di flessione. Inoltre diminuisce la porosità
superficiale nei componenti per sigillatura ed altre applicazioni ingegneristiche.
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
p l
l i
i c
c a
a z
z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
INGRANAGGI SINTERIZZATI AD ALTA DENSITÀ
Le leghe metalliche sinterizzate sono state studiate per applicazioni per ingranaggi nell’ambito di un
progetto di ricerca sovvenzionato dal Ministero Federale Tedesco per l’Educazione e la Ricerca. Un
ingranaggio in metallo sinterizzato MSP4.0Mo-0.1Nb è stato confrontato con uno lavorato a macchina
in acciaio cementato, 20MnCr5. Prove sulla capacità di carico del piede del dente hanno dato i seguenti
risultati per resistenza a fatica (2 milioni di cicli; resistenza a fatica del 20MnCr5 definita come 100).
••
20MnCr5 non pallinato:
100%
••
••
MSP4.0Mo-0.1Nb non pallinato:
82%
MSP4.0Mo-0.1Nb pallinato:
109%
Le prove hanno perciò dimostrato che con il metallo sinterizzato e non pallinato la resistenza a fatica è
minore del 18% rispetto a quella dell’ingranaggio in acciaio cementato lavorato a macchina;
ma rispetto a questo, la resistenza a fatica del metallo sinterizzato e pallinato è maggiore del 9% [Rif
2.15].
La richiesta di materiali in polveri ferrose sinterizzate e pressate sta crescendo grazie al fatto che la
metallurgia delle polveri viene applicata sempre di più in componenti sottoposti a sollecitazioni elevate.
Ancorsteel 1000B con 2% di rame e 0,9% di graffite, ha un limite a fatica di 240MP; con la pallinatura
raggiunge i 280 MPa, aumentando del 16% il limite di fatica [Rif 2.16].
L A RISPOSTA DEI METALLI
LL A
A M
M EE TT A
A LL LL U
U RR G
G II AA D
D EE LL LL EE P
PO
O LL V
V EE R
R II
II
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
2.1 Horger; Mechanical and Metallurgical Advantages of Shot Peening – Iron Age Reprint 1945
2.2 Hatano and Namitki; Application of Hard Shot Peening to Automotive Transmission Gears, Special Steel Research Laboratory, Daido Steel
Company, Ltd., Japan.
2.3 Challenger; Comparison of Fatigue Performance Between Engine Crank Pins of Different Steel Types and Surface Treatments, Lucas Research
Center, Solihull, England, July 1986
2.4 Properties and Selection, Metals Handbook, Eighth Edition, Vol. 1, pp. 223-224.
2.5 Jackson and Pochapsky; The Effect of Composition on the Fatigue Strength of Decarburized Steel, Translations of the ASM, Vol. 39, pp. 45-60.
2.6 Bush; Fatigue Test to Evaluate Effects of Shot Peening on High Heat Treat Steel - Lockheed Report No. 9761.
2.7 Gassner; Decarburization and Its Evaluation by Chord Method, Metal Progress, March 1978, pp. 59-63.
2.8 Internal Metal Improvement Co. Memo
2.9 Keough, Brandenburg, Hayrynen; Austempered Gears and Shafts: Tough Solutions, Gear Technology March/April 2001, pp. 43-44.
2.10 Palmer; The Effects of Shot Peening on the Fatigue Properties of Unmachined Pearlitic Nodular Graphite Iron Specimens Containing Small
Cast Surface Imperfections, BCIRA Report #1658, The Casting Development Centre, Alvechurch, Birmingham, UK.
2.11 Oshida and Daly; Fatigue Damage Evaluation of Shot Peened High Strength Aluminum Alloy, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering,
Syracuse University, Syracuse, NY
2.12 Technical Review, Progress in the Application of Shot-Peening Technology for Automotive Engine Components, Yamaha Motor Co., Ltd., 1998.
2.13 McGann and Smith; Notch Low Cycle Fatigue Benefits from Shot Peening of Turbine Disk Slots.
2.14 Sonsino, Schlieper, Muppman; How to Improve the Fatigue Properties of Sintered Steels by Combined Mechanical and Thermal Surface
Treatments, Modern Developments in Powder Metallurgy, Volume 15 - 17, 1985.
2.15 Link, Kotthoff; Suitability of High Density Powder Metal Gears for Gear Applications; Gear Technology, January/February 2001.
2.16 O’Brian; Impact and Fatigue Characterization of Selected Ferrous P/M Materials, Annual Powder Metallurgy Conference, Dallas, TX. May 1987.
15