Come scegliere i materiali per la forgiatura di semilavorati
Selezione dei materiali
Nella produzione di fucinati per ingranaggi, la selezione dei materiali deve basarsi innanzitutto sugli scenari applicativi e sulle caratteristiche del prodotto, per poi effettuare un bilanciamento completo tra proprietà meccaniche, compatibilità di processo ed economia. Di seguito sono riportati i sei elementi fondamentali ampiamente riconosciuti nei circoli industriali di Europa e America:
1. Indicatori delle prestazioni meccaniche
Resistenza alla trazione: parametro fondamentale che determina la capacità di carico degli ingranaggi. Ad esempio, la resistenza alla trazione dei pezzi forgiati SAE 4340 dopo il trattamento di tempra e rinvenimento può raggiungere 900-1100 MPa, rendendoli adatti per ingranaggi per impieghi gravosi nei macchinari minerari.
Resistenza all’urto: in ambienti a bassa temperatura (come i riduttori delle turbine eoliche), è necessario garantire che il materiale soddisfi ancora l’energia di impatto Charpy V-notch di ≥27J a -40 °C (riferimento ASTM A370).
Limite di fatica: soglia di rottura degli ingranaggi sottoposti a carichi ciclici. Il limite di fatica a flessione degli ingranaggi cementati e temprati può essere aumentato a 600-800 MPa (norma EN 10084).
Le caratteristiche ambientali sopra indicate richiedono la selezione di materiali e processi in base alle condizioni di lavoro e ai carichi previsti per l’applicazione degli ingranaggi!
2. Adattabilità ai processi di trattamento termico
Temprabilità: la profondità di tempra del materiale viene valutata tramite il test di tempra Jominy. Ad esempio, l’acciaio EN 10083-1 34CrNiMo6 mantiene una durezza HRC 45 o superiore a una distanza di tempra finale di 50 mm ed è adatto alla tempra complessiva di ingranaggi di grandi dimensioni.
Controllo della deformazione: per gli ingranaggi di precisione, è necessario selezionare un acciaio a bassa deformazione in tempra (come SAE 8620H). In combinazione con il processo di tempra isotermica, la tolleranza dimensionale può essere controllata entro ±0,05 mm.
3. Tolleranza ambientale
Resistenza all’ossidazione ad alte temperature: gli ingranaggi aeronautici adottano spesso forgiati Inconel 718 (standard AMS 5662), che mantengono una durezza stabile a 650 °C.
Resistenza alla corrosione: per gli ingranaggi marini si consigliano forgiati in acciaio inossidabile duplex (come ASTM A182 F51). La resistenza alla corrosione puntiforme (PREN) è ≥35 e la durata alla prova in nebbia salina supera le 5000 ore.
4. Prestazioni di lavorazione
Lavorabilità: gli acciai per lavorazione con utensili rapidi contenenti zolfo (come SAE 1144) possono ridurre l’usura degli utensili, ma è necessario bilanciare l’influenza delle inclusioni di solfuro sulla resistenza alla fatica.
Fluidità di forgiatura: per i forgiati in lega di alluminio (come AA 7075), la temperatura di forgiatura deve essere controllata a 350-450 °C per evitare l’ingrossamento dei grani.
5. Costo e catena di fornitura
Tasso di utilizzo del materiale: la tecnologia di forgiatura near-net-shape può ridurre il peso dei semilavorati per ingranaggi del 20% (forgiatura di precisione WeForging).
Soluzione alternativa: sostituire il 4340 con SAE 4140 nelle parti non critiche, riducendo il costo per tonnellata di circa 300 $. Allo stesso tempo, l’80% delle condizioni di lavoro sono soddisfatte, ma alcuni processi di trattamento termico devono essere combinati per migliorare la resistenza alla trazione e allo snervamento.
6. Normative e requisiti di certificazione
Industria automobilistica: certificazione IATF 16949 che richiede la tracciabilità dei materiali (registrazioni complete del processo, dai numeri dei forni di produzione dell’acciaio agli ingranaggi finiti).
Industria energetica: gli ingranaggi per l’energia eolica devono essere conformi ai requisiti di controllo non distruttivo (UT/MT) e di controllo delle sollecitazioni residue delle norme GL2010 o DNV-ST-0376.
Confronto completo delle norme relative ai materiali da forgiatura in Europa e America
Norme americane (SAE/ASTM)
Numero della norma | Materiali tipici | Caratteristiche e scenari applicabili | Suggerimenti per il processo di trattamento termico |
SAE J404 1045 | Acciaio al carbonio | Ingranaggi generici a basso costo, adatti per applicazioni con carichi ridotti come macchine agricole e nastri trasportatori. | Normalizzazione (HB 170 – 210) o tempra e rinvenimento (HRC 28 – 32) |
SAE J434 D – 4340 | Acciaio legato al nichel-cromo-molibdeno | Preferito per ingranaggi per impieghi gravosi, con una resistenza alla trazione ≥930MPa, utilizzato nei macchinari minerari e nei propulsori marini. | Tempra in olio + rinvenimento (HRC 35 – 40) |
ASTM A668 Classe D | Acciaio al carbonio e manganese | Un’alternativa economica al SAE 1045, adatto alla produzione in serie di ingranaggi di medie e piccole dimensioni. | Normalizzazione + tempra superficiale ad alta frequenza (HRC 50 – 55) |
Caso: Cascade Construction Machinery, produttore di macchine edili, utilizza forgiati ASTM A668 Classe D per la produzione degli ingranaggi rotanti degli escavatori. Grazie alla tempra superficiale al laser, la durezza della superficie dei denti raggiunge HRC 58 e la durata è triplicata.
Norme europee (EN/DIN/ISO)
Numero della norma | Materiale | Proprietà tipiche del materiale | Scenari applicabili | Suggerimenti per il trattamento termico |
EN 10083 – 1 34CrNiMo6 | Acciaio legato al cromo, nichel e molibdeno | Eccellente tenacità del nucleo (KV≥60J) | Utilizzato come materiale principale per cambi automobilistici e ingranaggi aeronautici | Carburato e temprato, con durezza superficiale HRC pari a 60 – 64 |
EN 10250 – 4 42CrMo4 | Acciaio al cromo-molibdeno | Vanta una profondità di penetrazione di tempra ≥15 mm (temprato in acqua a 850 °C) | Utilizzato per ingranaggi planetari e ingranaggi solari di riduttori per energia eolica | Condizionamento (HB 280 – 320) seguito da nitrurazione |
DIN 17210 20MnCr5 | Acciaio legato a basso tenore di carbonio | Offre un costo contenuto per ingranaggi cementati, con durezza del nucleo pari a HRC 30 – 35 | Adatto per ingranaggi di trasmissione di autovetture | Carburatura gassosa con profondità dello strato di 0,6 – 1,0 mm |
Confronto tecnico
- Resistenza alla fatica: la resistenza alla fatica da flessione dell’EN 34CrNiMo6 dopo 10⁷ cicli è superiore del 12% rispetto a quella dell’SAE 4340 (fonte dei dati: banco di prova per ingranaggi FZG).
- Efficienza dei costi: il costo del materiale DIN 20MnCr5 è inferiore del 25% rispetto a quello dell’EN 34CrNiMo6, rendendolo adatto alla produzione in serie di ingranaggi per autovetture.
Norme speciali di applicazione
- Ingranaggi per l’aviazione: AMS 6265 (acciaio cementato) richiede una granulometria ≥ grado 5 e inclusioni non metalliche ≤0,015%.
- Ingranaggi per dispositivi medici: ASTM F138 (acciaio inossidabile 316LVM) deve soddisfare i requisiti di biocompatibilità e resistenza alla sterilizzazione (circolazione di vapore ad alta temperatura e alta pressione).
Casi di scelta errata dei materiali e soluzioni
Caso 1: Corrosione puntiforme precoce degli ingranaggi per impianti eolici
Problema: Un determinato produttore ha utilizzato forgiati in 25CrMo per la produzione di ingranaggi. Dopo sei mesi di funzionamento, si è verificata una grave usura sulla superficie dei denti.
Analisi: Il contenuto di carbonio è troppo basso, la durezza complessiva è relativamente bassa e la resistenza alla fatica da contatto è inferiore ai requisiti di progettazione.
Soluzione: utilizzare invece forgiati EN 10250-4 42CrMo4. Dopo due processi di normalizzazione e tempra, la durezza della superficie dei denti viene aumentata a HRC 55 e la tensione residua di compressione viene aumentata mediante pallinatura.
Caso 2: Deformazione eccessiva degli ingranaggi automobilistici durante la tempra
Problema: L’ellitticità del foro interno dell’ingranaggio SAE 8620H dopo la cementazione supera 0,1 mm (requisito ≤0,05 mm).
Analisi: una velocità di raffreddamento irregolare durante la tempra provoca deformazioni.
Soluzione: utilizzare olio per tempra graduato (olio veloce → olio lento) e dispositivi di fissaggio con manicotto di espansione per rendere i punti di sollecitazione relativamente uniformi a tutti gli angoli, riducendo la deformazione a 0,03 mm.
Come ottenere assistenza personalizzata nella scelta dei materiali?
fornisce materiali (analisi metallografica e microstrutturale dei materiali in laboratorio) → progettazione del processo → test delle prestazioni → rilevamento dei difetti tramite ultrasuoni servizio completo:
- Database dei materiali: copre oltre 200 tipi standard provenienti da Europa e America, fornendo rapporti di analisi della composizione chimica.
- Simulazione di processo: utilizzare QForm/Deform-3D per simulare il processo di forgiatura e prevedere il flusso dei materiali e i difetti.
- Test rapidi: campioni trattati termicamente vengono forniti entro 72 ore, a supporto dei test di durezza/metallografia/fatica.
- Selezionare materiali alternativi che possono essere utilizzati secondo standard diversi per ridurre i costi di produzione di massa garantendo la qualità.
Come scegliere un produttore di forgiati affidabile?
- Esiste un laboratorio affidabile?
- Un caso è l’esempio migliore di un produttore forte, come Weforging Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge
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Weforging è uno stabilimento di produzione completo. Se avete problemi tecnici relativi alla forgiatura, agli stampi, alla lavorazione termica, agli anelli dentati, ecc., potete contattare il nostro team tecnico all’indirizzo www.weforging.com.
