Trattamenti termici: come controllarli?
Chi sceglie di sottoporre il materiale o ad un trattamento tecnico, lo fa per conferirgli caratteristiche che allo stato di partenza non possiede o per incrementarne altre, nel caso le possieda già.
Un trattamento termico ben riuscito soddisferà le attese, a patto però che che si svolga nel rispetto delle regole indicate per il particolare tipo di processo. Su questo aspetto è necessario, come del resto sul grado di affidabilità delle caratteristiche dei pezzi, è necessario effettuare attenti controlli, per i quali numero e frequenza variano a seconda della commessa e dell’impianto ce il trattamentista ha a disposizione.
Diverse tipologie di controllo sui trattamenti termici:
Per garantire risultati conformi, si devono mettere in atto diverse attività volte al controllo sia delle operazioni che si eseguono sia dei risultati. E in effetti, i controlli sono classificabili in relazione a ciè che prendono in considerazione:
- controlli di processo
riguardano i parametri necessari ad ottenere le trasformazioni chimico-fisiche desiderate e che influenzano i risultati del trattamento termico:
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- la temperatura,
- il tempo,
- le caratteristiche del mezzo di protezione o cementante,
- le caratteristiche del mezzo di spegnimento.
- controlli di prodotto
puntano a verificare le caratteristiche che devono essere riscontrate sui pezzi trattati. Di norma, si richiede ad ogni trattamentista di controllare:
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- la durezza in superficie o ad una profondità definita dalle norme di prodotto o dai requisiti contrattuali;
- la profondità e la durezza dell’eventuale strato superficiale indurito;
- la misura del gradiente di durezza;
- la microstruttura a cuore e dello strato superficiale indurito e/o cementato.
Alcuni fra i controlli di prodotto sono richiesti più raramente e richiedono l’applicazione di strumentazione dedicata. Ecco un breve elenco di questi controlli, che non sono di prassi:
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- Le prove meccaniche (trazione e resilienza);
- le prove non distruttive (esame visivo, ultrasuoni, raggi X, magnetoscopia e liquidi penetranti),
- le prove di corrosione,
- l’analisi chimica del prodotto e del gradiente di concentrazione dell’elemento o degli elementi diffusi nei processi di cementazione.
Se in sede di contratto queste operazioni fossero richieste, è importante ponderare attentamente come comportarsi, vista la difficoltà di eseguire questo genere di controlli internamente – difficoltà che talvolta persiste anche appoggiandosi a laboratori esterni qualificati.
Controllo e misura della temperatura durante il trattamento termico
Nell’ambito dei controlli di processo, nelle misurazioni dovrebbe sempre essere inclusa quella della temperatura effettiva dei pezzi sottoposti a trattamento. Un buon impianto per trattamento termico deve garantire la massima uniformità della temperatura nell’intero volume disponibile per il riscaldamento della carica, con una tolleranza non superiore a +/- 3 °C. Per questa ragione è necessario un attento studio della distribuzione delle fonti di calore e l’uso di ventole nei forni ad atmosfera e di agitatori nei bagni di sali.
Esistono diversi sistemi per effettuare queste misurazioni, ma alcuni purtroppo possono facilmente introdurre errori di rilevamento di entità sufficientemente elevata da pregiudicare il risultato del trattamento stesso. Poco efficace, ad esempio, è la misura della temperatura mediante misuratori ad infrarossi, visti i problemi connessi con la riflettività dei materiali trattati, connessa alle condizioni della superficie del manufatto, variabile durante il ciclo termico (formazione di ossidi schermanti).
Tra tutti i metodi a disposizione per il controllo e la misura della temperatura durante i trattamenti termici effettuati in forno, il più efficace prevede l’utilizzo delle termocoppie, situate il più vicino possibile alla carica e collegate a pirometri di elevata precisione e affidabilità. Nel caso di collegamenti effettuati in bagni salini, è buona regola inserire almeno una termocoppia nel bagno di sali fusi.
Le termocoppie viste da vicino
Le termocoppie possono differire tra loro per
- geometria,
- temperatura di utilizzo e
- metodo di fissaggio ai pezzi.
Una grossa distizione esiste tra
● termocoppie in guaina:
si usano nei trattamenti ad alta temperatura e/o forte turbolenza dei gas caldi. Sono realizzate per trafilatura, con i due conduttori isolati in ossido minerale e la guaina di protezione esterna in inconel o acciaio inossidabile AISI 310.
- termocoppie con isolamento in fibra:
di utilizzo molto pratico, normalmente impiegate in modalità monouso, presentano i due conduttori isolati in calza di fibra resistente alla temperatura. Questo speciale tipo di isolamento le rende operative fino alla temperatura di 1200 °C.
Sono fornite in matasse, tra loro distinte per lotto di fabbricazione e di facile rintracciabilità. Dalle matasse si ricavano le singole termocoppie, di lunghezza variabile e idonea a raggiungere in ogni parte il manufatto di cui si misura la temperatura. Concluso il trattamento termico, il filo (usa e getta) viene inviato alla rottamazione.
Per i due differenti tipi di termocoppie esistono due differenti modalità di fissaggio:
⊙ le termocoppie in guaina necessitano di un fissaggio meccanico tramite dado e bullone, scanalato e saldato al pezzo da trattare;
⊙ le termocoppie con isolamento in fibra sono fissate al pezzo mediante scarica capacitiva in accordo alla Codice ASME VIII, Div. 1 – 2.
Particolare rilievo, ai fini del buon esito del trattamento, riveste la disposizione delle termocoppie sui manufatti. Solo se poste, a contatto dei manufatti nei punti più critici, le termocoppie garantiranno un efficace controllo della temperatura e la buona riuscita del trattamento. La sola misura dell’aria del forno non è sufficiente e conduce ad inevitabili fallimenti.
Quali criteri conviene osservare circa il collocamento delle termocoppie? In generale, è sufficiente seguire alcuni semplici suggerimenti e posizionarle:
- sul massimo e minimo spessore;
- sugli spessori intermedi;
- nella parte superiore e inferiore del pezzo;
- sui fianchi del pezzo;
- all’interno delle camere chiuse accessibili, quando gli spessori superano i 50 mm;
- su zone, sezioni, appendici ed altri particolari di specifico interesse o che geometricamente differiscono dal resto del manufatto.
Ci sono fattori da valutare con grande attenzione qundo dobbiamo posizionare le termocoppie in numero adeguato al controllo di un ciclo termico. Sarà bene approfondire:
- il tipo di trattamento da eseguire;
- la complessità geometrica, le dimensioni e il peso del manufatto da trattare;
- le caratteristiche del forno utilizzato (tipologia e numero dei bruciatori e delle zone controllate automaticamente);
- il posizionamento del pezzo all’interno del forno stesso.
Per i trattamenti dei manufatti più complessi, come ad esempio, nel trattamento degli scambiatori a piastre fisse o nel caso di particolari materiali, è opportuno predisporre nei punti più critici termocoppie doppie, con funzione di back-up in caso di guasto. Nel caso, invece, in cui ci si trovi a trattare contemporaneamente più manufatti di identica geometria e massa, le termocoppie saranno suddivise su più pezzi, applicando i parametri precedentemente esposti alla carica del forno.
L’esperienza ha dimostrato che è molto utile collegare dei registratori ai pirometri. Oltre a registrare l’effettivo andamento della temperatura durante l’intero processo e generare documentazione conservabile, a dimostrazione del ciclo eseguito, visualizza ogni sua variazione per tutta la durata del trattamento termico, con valutazione immediata della velocità di riscaldo o di raffreddamento della carica e la durata delle singole fasi del ciclo termico.
La taratura e la riferibilità
Il buon funzionamento dei pirometri e delle termocoppie deve essere verificato periodicamente: di solito, una volta al giorno o una alla settimana), mediante termocoppie portatili che si inseriscono in apposite feritoie vicine a quelle in cui alloggiano le termocoppie fisse del forno.
I pirometri sono digitali, di grande previsione e affidabilità e consentono operazioni di verifica agevoli e molto affidabili. È comunque buona norma procedere almeno una volta all’anno alla taratura, ovvero a verificare che gli strumenti di misura abbiano e mantengano nel tempo l’accuratezza e la ripetibilità adeguate alla misurazione da effettuare. I pirometri posso essere tarati prendendo a riferimento quello di riferimento tarato da Centri di taratura SIT (Servizio di Taratura in Italia) o da laboratori qualificati.
Quando si parla di riferibilità, si allude alla proprietà del risultato di una misurazione per la quale può esser posto in relazione con riferimenti definiti, di solito nazionali o internazionali, attraverso una catena ininterrotta di confronti aventi tutti incertezze note. Serve per garantire che le misurazioni effettuate in diverse circostanze di uno stesso misurando (ad esempio, la durezza misurata prima dal trattamentista e poi dal cliente sui pezzi trattati) siano ragionevolmente simili, cioè nei limiti dell’incertezza definita.
Il controllare della temperatura di processo è sempre possibile?
Il controllo dell’uniformità della temperatura è sempre raccomandabile. Si ottiene, come visto, attraverso il posizionamento delle termocoppie nei punti caratteristici del forno, in un numero che dipende dal tipo d’impianto.
Nei forni continui di carbocementazione, troveremo le termocoppie alla fine dalla camera di preriscaldo; al centro di quella di cementazione attiva ed alla fine di quella di diffusione e tempra. Nei forni di grosse dimensioni, con più camere, le termocoppie saranno più d’una per camera e disposte accortamente nei punti efficaci.
Tuttavia, quando si effettuano particolari tipi di tempra superficiale (tempra ad induzione, fiammatura, tempra laser) è in pratica impossibile misurare la temperatura effettiva della superficie riscaldata, nonostante si usino pirometri ad infrarosso o pirometri ottici.
Si preferisce allora tenere strettamente monitorati degli controllo altri parametri di processo: la potenza, il tempo, l’intensità di corrente alla bobina. Essi vengono ottimizzati tramite il controllo dei risultati ottenuti su provette o pezzi prototipi.
Processo e controllo del processo: affidati a SteelBetter
Nella maggioranza dei casi, a parte le eccezioni appena messe in evidenza, il controllo di processo quando si effettua un trattamento termico è una necessità. Il monitoraggio della temperatura è una delle sue facce, non la sola, ma veramente importante.
Nel tracciare il diagramma tempo-temperatura siamo particolarmente accurati. Ogni diagramma è distinto da tutti gli altri perché associato al il numero identificativo del trattamento. A questo aggiungiamo la data di esecuzione e i dati peculiari dei manufatti trattati. Numero e tipo di termocoppie utilizzate compaiono insieme alla classe di precisione, la scala del tempo e della temperatura oltre alla firma del Responsabile Tecnico del trattamento.
Un altro aspetto a cui dedicare grande attenzione è la taratura delle apparecchiature termometriche; che vengono sempre verificare prima prima del loro utilizzo in impianto e periodicamente, in relazione alle condizioni d’uso.
Ma al di là del rispetto di queste regole, c’è da tener conto che non basta costruire, o acquistare, le termocoppie. In linea generale, quanto può durare la vita in esercizio di una termocoppia? Nel tempo è soggetta a una perdita per così dire “fisiologica” di precisione. Le cause sono varie:
⊙ l’alternanza dei cicli termici;
⊙ le alte temperature;
⊙ la contaminazione ambientale;
⊙ gli stress meccanici.
Un trattamentista esperto sa bene che, cambiando le caratteristiche dei materiali, variano il potere termoelettrico e, di conseguenza, la misura che dipende da svariati fattori, anche non prevedibili, come nel caso degli stress di tipo meccanico.
In veste di esperto di trattamenti termici, non lascio mai passare troppo tempo tra una taratura e la successiva. È un’accortezza che mette al riparo i miei clienti da possibili errori di misura, che ovviamente pregiudicherebbero l’efficacia del trattamento termico che io stesso propongo.
Se sei alla ricerca di un trattamentista, assicurati che faccia caso a tutte le fasi del processo e sottoponga le strumentazioni, anche ma non solo quelle di misura, a verifiche frequenti ed esatte.
Noi facciamo proprio questo e ti aspettiamo in azienda se ti fa piacere vederci direttamente all’opera. E se preferisci una breve chiacchierata, contattami via mail o telefona. Mi trovi sempre, e puoi interpellarmi senza alcun impegno.