Durezza dell’acciaio, prendiamo le misure

Prima di leggere quest’articolo, ricorda un concetto semplice: la durezza è una proprietà di ogni materiale, non solo metallico. Oggi parliamo di caratteristiche dei materiali di lavorazione. E in particolare parliamo di durezza: un qualsiasi corpo sarà tanto più “duro” quanto più capace di resistere ad una sollecitazione a pressione. La stessa sollecitazione, poi, lascerà un’impronta proporzionale alla durezza.

 

Ma come si misura la durezza dell’acciaio?

Le cose si complicano quando dalla ‘durezza’ come caratteristica passiamo alla necessità di misurarla, di esprimerla quindi con un indicatore numerico. Vale per tutti i materiali, anche non metallici come elastomeri, gomme e materiali ceramici… si tratta di una grandezza meccanica non facile da definire, soprattutto se paragonata per altre grandezze derivate per cui si possono realizzare campioni che costituiscono il riferimento nazionale (ad esempio la forza, la pressione, la portata, e così via). D’altra parte, abbiamo a disposizione da molto tempo una “scala di “durezza”? Eccola qui di seguito, la “scala Mohs”, utile a distinguere tra loro i materiali con cui capita di avere a che fare su una scala da 1 a 10:

• Materiali TENERI (si scalfiscono con l’unghia)
  1. Talco
  2. Gesso • Materiali SEMI DURI (si rigano con una punta d’acciaio)
  3. Calcite
  4. Fluorite
  5. Apatite

 

• Materiali DURI (non si rigano con la punta di acciaio) 6. Ortocalsio
  8. Topazio
  9. Corindone
  10. Diamante (carborundum) Il mineralogista austriaco Friedrich Mohs (1773-1839), da cui la scala prende il nome, la ideò basandosi su un criterio empirico: “la resistenza che il materiale oppone alla separazione delle sue particelle”. Come hai appena visto, è presa come riferimento la durezza di dieci minerali numerati progressivamente da 1 a 10, e tali che ciascuno è in grado di scalfire quello che lo precede ed è scalfito da quello che lo segue. Dal talco al diamante, da tenerissimo a durissimo!

La durezza in metallurgia: tre cose da sapere

Nel nostro ambito di lavoro, quanto è importante la capacità di collocare precisamente la durezza del materiale? Nel lavoro di ogni giorno è una questione di capitale importanza quantificare la durezza e tradurla in un indicatore numerico. Intanto, voglio precisare che per ‘durezza’ intendiamo la resistenza che un materiale, nel nostro caso un metallo e più probabilmente l’acciaio, oppone alla penetrazione di un materiale più duro secondo una compressione localizzata. Si tratta, in altre parole, della capacità di quel materiale di resistere alla deformazione permanente.

La proprietà che viene indicata come ‘durezza’ è legata ai fenomeni di scorrimento plastico indotti dalla compressione localizzata. Inoltre, e questo soprattutto interessa chi lavora con l’acciaio, influenza la resistenza:

• al taglio
• all’incisione
• all’usura
• alla corrosione.

Per alluminio, rame, ottone, bronzo, ferro e acciaio vengono comunemente richieste misurazioni di durezza. La composizione dell’acciaio, ferro, carbonio e altri elementi, determina particolari proprietà meccaniche in un materiale molto utilizzato per costruire organi di macchine soggetti a sollecitazioni, per tre ottime ragioni:

• buon carico di rottura;
• buona durezza;
• buona resistenza agli urti.

La durezza H (hardness) può essere definita come la resistenza alla:

• Deformazione elasto-plastica (concetto fisico);
• Scalfittura (concetto mineralogico);
• Che la superficie di un materiale oppone alla sua penetrazione (concetto tecnologico).

Abbiamo insomma appurato che quello della durezza è un concetto, e un numero, in cui ci si imbattiamo molto frequentemente. Frequenza che risulta ancor più elevata nel settore della meccanica, dove la durezza è una caratteristica fondamentale per giudicare se un certo materiale è idoneo o no a svolgere certe funzioni ed ad avere un certo rendimento. Ti basta infatti pensare a tutti i materiali soggetti ad usura. Cosa intendo? Per esempio cioè a tutto ciò che si muove all’interno di un automobile o di un qualsiasi macchinario. Basta pensare agli utensili da taglio, dove la durezza è sicuramente un indice che serve a chiarire bene dove e come debba essere usato un certo materiale.

La durezza deve essere conosciuta e va misurata in modo molto preciso

Il problema connesso con questo tipo di necessarie misurazioni delle durezza consiste proprio nella definizione della scala di riferimento.

1. Questa è data dalle normative internazionali, che prescrivono tre fondamentali “passi”:
   si definisce il metodo di prova, compresi, per ogni scala, i valori della forza applicata, il metodo di misura e la formula per ricavare il valore di durezza.
2. Si definisce il tipo di macchina da usare per la misurazione nella scala considerata, le tolleranze relative ai parametri in gioco, il metodo per la taratura della macchina considerata;
3. Si definisce il tipo di macchina da usare per la taratura dei blocchi di riferimento, le tolleranze relative ai parametri in gioco, il metodo per la taratura della macchina considerata.

Delle caratteristiche meccaniche basilari di un acciaio, la durezza è quella rilevabile più agevolmente

E questo dipende dal fatto che il test non richiede la realizzazione di specifici provini, alterando solo localmente il pezzo in esame, e anzi può spesso essere effettuato su un pezzo finito.
I metodi per valutare la durezza di un componente sono molteplici. Le prove di durezza, che si eseguono con macchine provviste di penetratori con forme diverse e con diverse metodologie, determinano la resistenza offerta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro, evidentemente più duro, che si può chiamare “penetratore” o “identatore” e che ha forme diverse.

Le prove di durezza sono sicuramente tra le prove meccaniche le più diffuse per i loro numerosi aspetti vantaggiosi, in quanto:
• spesso non richiedono la realizzazione di specifici provini campione ma possono essere eseguite direttamente sul prodotto finale;
• in alcuni casi non sono distruttive poiché alterano solo localmente il prodotto ed in maniera spesso non significativa;
• possono fornire un’indicazione sullo stato micro-strutturale e su alcune fondamentali proprietà meccaniche dei materiali;
• consentono di determinare indici di confronto per esprimere giudizi relativi a processi tecnologici;
• permettono di fornire indicazioni utili per la qualifica di alcuni processi di produzione come, ad esempio, trattamenti termici, rivestimenti, saldature, ecc;
• non richiedono provette; • non distruggono e di norma non alterano il pezzo o la parte di questo sottoposta alla prova;
• possono essere eseguite con mezzi di estrema semplicità;
• sono generalmente molto rapide.

Biosgna ovviamente tenere in considerazione anche alcuni svantaggi, che sono da mettere in relazione con:

• l’inefficacia del solo valore della durezza nel giudizio dello stato del materiale. È condizione necessaria ma non sufficiente affinché il componente metallico possegga le caratteristiche di progetto).

• la dipendenza del valore della durezza dalle condizioni e metodologia di prova.

 

Come misurare la durezza dell’acciaio

Le metodologie di misurazione i distinguono in base al:
• tipo di penetratore usato;
• carico applicato;
• tecnica di rilevamento della dimensione dell’impronta lasciata sul saggio.

La differenza tra le differenti metodologie consiste nella geometria del penetratore (sferica, piramidale, conica), nel carico applicato e nella sua durata. La misurazione dell’impronta consente di attribuire un valore numerico nelle diverse scale. Essendo la durezza una grandezza convenzionale, ogni tipo di scala è definita da una propria definizione operazionale codificata da specifiche normative che stabiliscono la metodologia di prova, dando dei valori di riferimento per ogni parametro d’influenza e la relativa tolleranza ammissibile (intervallo di variabilità).

Tutte le scale hanno come riferimento la definizione di durezza data dal tedesco Heinrich Rudolf Hertz nel 1895:

“la durezza alla penetrazione di un materiale è la pressione normale, riferita all’unità di superficie, al centro di un’area di contatto, capace di sollecitare il materiale, in un suo punto, al limite di elasticità: deformazione permanente per i corpi plastici ed incipiente fessurazione per quelli fragili”.

 

A ogni metodo…la sua scala!

Storicamente le misure di durezza sono nate per velocizzare le prove meccaniche sui materiali metallici. Fu così che Brinell, ingegnere e direttore di un’acciaieria svedese, nei primi anni di questo secolo, propose la prima prova di durezza utilizzando una sfera di acciaio come penetratore. Dopo questa prima scala che prese il nome dal suo ideatore, altre persone, quali Rockwell, Vickers e Knoop, proposero altre scale con penetratori di diamante e altri valori della forza applicata. Per gli acciai le tre principali metodologie di misurazione (con le rispettive scale) sono:

• la durezza Brinell (elaborata nel 1900 dall’ingegnere svedese J.A. Brinell);

• la durezza Rockwell (brevettata nel 1922 dagli statunitensi H.M. ed S.P. Rockwell);

• la durezza Vickers (ad opera dei ricercatori inglesi Sandland e Smith della società britannica Vickers Ltd. nel 1935).

La scelta del “tipo” di durezza (Brinell, Vickers, Rockwell) si decide in in funzione della marca di acciaio, del suo stato metallurgico, dell’esigenza di una maggiore o minore puntualità della misurazione.

Il valore della durezza dipende dal modo in cui essa viene ricavata:
• la durezza Brinell si ottiene tramite indentatore sferico;
• la durezza Rockwell è definita da indentatori sferici e conici e ottenuta misurando la profondità dell’impronta residua di indentazione;
• la durezza Vickers è definita da un indentatore piramidale a 4 facce misurando
l’area dell’impronta residua;
• la durezza strumentale è definita misurando l’area di contatto tra indentatore e campione sotto carico e per questo motivo si distingue dalle altre.

 

Metodi a confronto

Sul piano operativo, emerge che:

• la durezza Vickers risulta essere: la più versatile, precisa, non distruttiva (perle modestissime dimensioni dell’ impronta). È valida in un intervallo di durezze illimitato e si presta anche per le misure di microdurezza. Risente delle eterogeneità della provetta e risulta laboriosa.

• la durezza Brinell risulta: meno laboriosa, ma può essere distruttiva. Risente meno delle eterogeneità ed è utilizzata per materiali fortemente eterogenei quali le ghise grigie. Valori ottenuti con sfere di diverso diametro, sebbene caricate proporzionalmente, non sono generalmente paragonabili. La lettura del diametro dell’ impronta richiede l’uso di una lente o di un microscopio. La misura e’ relativamente semplice, affidabile e generalmente meno complicata di quella Vickers.

• la durezza Rockwell: è la più semplice e rapida, ma anche la meno precisa ed affidabile. Infatti può dare valori errati per molteplici motivi; per esempio un cedimento dell’appoggio dovuto ad una qualsiasi causa.

 

Le prove di durezza sono Prove Non Distruttive

Possono dare valori non attendibili quando non vengono rispettate tutte le condizioni poste dalle procedure sancite dalle norme nazionali od internazionali. Ripeto ancora che in metallurgia la ‘durezza’ è la resistenza che un materiale oppone alla penetrazione di un materiale più duro secondo una compressione localizzata. E adesso poniamo il problema: che succede se questa resistenza si dimostra inferiore alle aspettative e alle necessità d’utilizzo del componente? Succede questo: hai imparato cos’è la durezza. Io posso mostrarti come incrementarla se non è al livello atteso o richiesto dal tuo cliente.

Vuoi aumentare la durezza dell’acciaio? Con SteelBetter puoi!

La metodologia delle prove di durezza e della taratura delle relative macchine è oggi un tema bollente, anzi direi incandescente! Si tratta infatti di stabilire alcune prescrizioni: finalizzate a regolare innanzitutto le prove stesse. E di seguito, devono essere regolati il controllo, la taratura e la gestione delle macchine con le quali le prove di durezza vengono effettuate. Da una parte, per il produttore del “pezzo”, che deve lavorare la materia prima, c’è la necessità di diminuire l’incertezza da associare alle misure di durezza. Dall’altra parte, però, l’industria siderurgica primaria e secondaria tende ad aumentare le tolleranze (limiti di variabilità) dei singoli parametri. In meccanica, lo sappiamo bene, servono pezzi dalla superficie molto dura. Pistone, cuscinetti devono resistere ottimamente alle sollecitazioni! Per gli alberi, c’è la ben nota minaccia dell’usura da sfregamento. Sono alcuni dei risaputi pericoli cui è in generale esposta la componentistica in acciaio.

Quali risposte ti offro? Sono un trattamentista, so come incrementare la durezza superficiale e la tenacità dell’interno.

Come? Riscaldando la superficie del materiale e poi raffreddandolo in olio. Condividiamo gli obiettivi, questo è il principio in SteeBetter!

Io posso aiutarti a ottenere una superficie dura per resistere all’usura e un cuore resistente e tenace per sopportare i carichi applicati in esercizio. Si procede in un percorso articolano in tre fasi:
– riscaldo: consiste nel riscaldare il pezzo in forno in modo tale si riscaldi in un modo informe in tutte le zone del pezzo, fino alla temperatura voluta.
– permanenza alla temperatura di regime: è il periodo in cui il pezzo viene mantenuto a temperatura costante – raffreddamento: consiste nel riportare il pezzo riscaldato a temperatura ambientale.

Queste fasi si rappresentano in un diagramma temperatura-tempo, nella quale si vede la temperatura del pezzo con il trascorrere del tempo. Ovviamente nella lavorazione sono coinvolti:

• Mezzi per riscaldamento
  si usano dei forni nelle industrie per riscaldare i materiali che verranno sottoposti a dei trattamenti termici, questi forni sono studiati in modo che possono portare ad alta temperatura e hanno una vasta gamma a partire dal sistema di riscaldamento:
  – forni a combustione (carbone,gas,fluidi)
  – elettrici (resistenza elettrica)
  – atmosfera (ventilatore, gas a combustione)
  – bagno liquido (metallo o sale fuso)
  poi hanno varie caratteristiche come come la muffa che un materiale che si trova al interno del forno che serve come un secondo involucro per una protezione più efficiente.

 

• Mezzi per raffreddamento
  ci sono vari tipi per il raffreddamento a seconda delle necessità si possono usare:
  – acqua e 10% cloruro agitata
  – acqua e 10% cloruro
  – acqua pura agitata
  – acqua pura
  – acqua e aria
  – petrolio
  – olio poco agitato
  l’impianti di raffreddamento sono vasche chiamate vasche di spegnimento, la loro grandezza dipende dal pezzo.

 

Il giusto trattamento termico per aumentare la durezza dell’acciaio

Ti sto parlando del mio lavoro, di SteelBetter che effettua trattamenti il cui scopo è far assorbire, attraverso la superficie di un pezzo, un elemento chimico estraneo, atto a conferire alla superficie un’elevata durezza. Li sceglieremo insieme, ragionando sulle tue esigenze, e comincio mostrandotene la trattazione schematica:

Gli stessi trattamenti possono essere approfonditi, come vedrai qui di seguito, ma soprattutto possono essere valutati con la consulenza di chi se ne intende a fondo. Ti aggiungo qualche notizia che può aiutarti a trovare l’orientamento in questo complesso mondo…

• Nitrurazione
questo trattamento serve per indurire il pezzo usando l’azoto, il processo consiste nel esporre i pezzi di acciaio, riscaldati in forno elettrico a 500 °C, ad una lenta corrente di ammoniaca gassosa che ha il compito di cedere l’azoto all’acciaio. Per far tutto ciò servono degli impianti speciali.
Ecco di seguito vantaggi e svantaggi di questo trattamento, che non ne richiede altri di perfezionamento:
– la durezza è molto elevata;
– il trattamento dura da 20 a 50 ore;
– lo spessore nitrurato varia da 0,05 a 0,55 mm;
– non modifica la struttura dell’acciaio (non c’è pericolo di deformazione).
• Cementazione
Con questo processo si produce a diffusione di carbonio nell’acciaio,indurendo solo l’esterno di qualche millimetro (2-3). L’esterno presenta strati con diverso tenore di carbonio dai primi che contengono più di 0,77% ai successivi che contengono meno di 0,77%, poi si hanno strati sempre più dolci dopo ai 2 mm si raggiunge la parte che non e stata modificata con questo processo.
• Ricottura e normalizzazione
La ricottura fa ritornare il materiale lavorabile a macchine utensili, la sua caratteristica: il raffreddamento lento, annulla gli effetti della tempra, la struttura torna normale e prepara l’acciaio per successivi trattamenti termici come la ricottura.
• Rinvenimento e bonifica
il rinvenimento è un trattamento termico che si applica agli acciai che hanno subito la tempra. Lo scopo di questa operazione è di diminuire gli effetti negativi:
la fragilità; il modesto allungamento.
Le fasi del rinvenimento sono:
1. il riscaldamento lento in forno
2. la permanenza a tale temperatura
3. il raffreddamento fino a temperatura ambiente.
Più il pezzo viene portato ad alta temperatura, più perde gli effetti della tempra precedente.

 

Puoi contattarmi esponendomi il tuo problema. Fallo senza alcun impegno! Il mondo del metallo in fondo può riservarti ancora qualche sorpresa, non necessariamente sgradevole! Valuteremo insieme le opportunità che i trattamenti termici offrono per porre rimedio, ai tuoi guai. Ti garantisco una solida competenza e un occhio attentissimo al benessere del tuo metallo, ma anche del tuo portafoglio! Non per niente con noi il pianeta ‘steel’ diventa ‘better’… molto, molto migliore!