Attrezzature in materiale composito per alte temperature in forni sottovuoto

4
Intr oduz i one
Que sta te si ha lo sc opo di studia re , proge tta re e infine industria liz z a re un siste ma innova tivo di
a ttre z z a ture pe r i c ompone nti da la vora re te rmic a me nte .
Pe r i proc e ssi di tra tta me nto te rmic o ne gli impia nti di ultima ge ne ra z ione si utiliz z a no norma lme nte i
forni sottovuoto, ne i qua li ve ngono a ttua lme nte utiliz z a te a ttre z z a ture in a c c ia io le ga to.
Ne l c orso de ll’e la bora to que ste a ttre z z a ture ve rra nno indic a te c ome “ c a ric he ” .
Que sti ma te ria li tra diz iona li ha nno limiti note voli ne l mome nto in c ui ve ngono supe ra te le
te mpe ra ture di 800 / 900 ° C .
Di c onse gue nz a trovia mo ne lle c a ric he tra diz iona li dive rsi sva nta ggi:
- distorsioni e va ria z ioni dime nsiona li c a usa ti da llo sc orrime nto visc oso, c ioè la de forma z ione de l
ma te ria le dovuta a ll’e sposiz ione pe r lunghi pe riodi a d e le va ta te mpe ra tura .
- re siste nz a a l c a lore limita ta ne l te mpo dopo c ic li multipli di tra tta me nto te rmic o.
- i supporti in a c c ia io de forma ti de vono e sse re ripa ra ti ma nua lme nte utiliz z a ndo pre sse me c c a nic he ,
ta le la vora z ione è possibile pe r un nume ro limita to di volte a c a usa de ll’inc rudime nto de l ma te ria le ,
ta le inc rudime nto c omporta inne sto di c ric c he e rotture .
- i siste mi di c a ric a me nto e sc a ric a me nto a utoma tiz z a ti non tolle ra no va ria z ioni de lle dime nsioni e
de lle posiz ioni de lla c a ric a forno.
L ’obbie ttivo di que sta te si si sviluppa sull’utiliz z o di nuove c a ric he in ma te ria li c ompositi c he
c onse ntono di supe ra re i limiti a ppe na e le nc a ti.
I c ompone nti da tra tta re te rmic a me nte c he pre ndia mo in e sa me sono prodotti in a c c ia io a uste nitic o di
c la sse 300 in pa rtic ola re l’a c c ia io A304 in ma ta sse (c oils) pe r una produz ione di ma ssa .
Il tra tta me nto te rmic o ric hie sto è una ric ottura a d a lta te mpe ra tura (1050° C ).
C i sia mo imposti un triplic e obbie ttivo:
1) ottimiz z a re la c a ric a de l forno c on una qua ntità ma ssima possibile di ma ta sse
2) migliora re la qua lità de i pe z z i dopo il tra tta me nto te rmic o di ric ottura
3) ridurre i c osti di produz ione riduc e ndo i va lori e ne rge tic i utiliz z a ti pe r ogni ma ta ssa tra tta ta
1) Pa rtia mo da c iò c he a ttua lme nte si utiliz z a pe r la vora re le ma ta sse in A304
L a c a ric a oggi utiliz z a ta è un’a ttre z z a tura in a c c ia io le ga to tipo Inc one l, spe c ific o pe r c ic li a
te mpe ra ture sta nda rd di 800 / 900° C e pe rme tte di a lloggia re a l ma ssimo una se rie di 20 ma ta sse .
B a sa ndoc i sul volume utile de lla c a me ra de l forno, de tta “ c a me ra c a lda ” , è sta to proge tta to un nuovo
te la io in ma te ria le diffe re nte di se guito tra tta to, c he pe rme tte di triplic a re la qua ntità de i pe z z i pe r
ogni c ic lo la vora tivo.
5
2) Pa ssia mo a l migliora me nto qua lita tivo de i prodotti tra tta ti
C ome ve dre mo ne llo sviluppo de lla te si, l’a ttre z z a tura in a c c ia io tipo Inc one l è c ostituita da c roc ie re
c he supporta no i pe z z i.
T a li c roc ie re , proprio pe r la loro forma , non c oprono tota lme nte l’a re a di c onta tto de lle ma ta sse ,
me tte ndo i pe z z i a risc hio di de forma z ione .
L a ric ottura a d a lta te mpe ra tura ric hie sta è pa ri a 1050 ° C c he ne l dia gra mma fe rro/c a rbonio è una
te mpe ra tura molto c ritic a pa rtic ola rme nte vic ina a lla te mpe ra tura e ute ttic a dove sia mo in pre se nz a di
tre fa si c onte mpora ne a me nte , c iò implic a un possibile ra mmollime nto de lla struttura de lle ma ta sse e
un’ine vita bile de forma z ione pe r gra vità .
Fig.1.1. Diagramma Ferro-Carbonio
Un’a ltra c ritic ità da pre nde re in c onside ra z ione è il risc hio c he i pe z z i si inc ollino a l te la io di
supporto in Inc one l, e ne c onse guire bbe un da nno irre ve rsibile pe r e ntra mbi.
Pe r e limina re que ste c ritic ità è sta to studia to un te la io in ma te ria le c omposito de tto C FC ( C arbon
F ibe r C ompound ) c he non si de forma ne l te mpo a nc he a te mpe ra ture supe riori a que lle ric hie ste ,
ga ra nte ndo quindi una sic ure z z a di otte ne re prodotti c on ge ome tria ide ntic a a i pe z z i non tra tta ti.
L ’innova z ione c onsiste ne ll’utiliz z o di un siste ma ibrido c omposto da un te la io in fibra di c a rbonio,
c he supporta i c a ric hi uniforma me ne distribuiti, c on l’a ggiunta di una struttura in fibra di c e ra mic a da
inte rporre a lle ma ta sse .
Il prodotto c e ra mic o non me tte a c onta tto il c a rbonio de l te la io in C FC c on l’a c c ia io A304, ulte riore
ga ra nz ia pe r e vita re l’inc olla ggio de i pe z z i a te mpe ra tura c ritic a di 1050 ° C .
3) Infine , la riduz ione de i c osti e ne rge tic i è sta ta risolta ottimiz z a ndo la c a ric a c on un’a ttre z z a tura
c he pa ssa da lle 20 ma ta sse iniz ia li a 72 ma ta sse pe r ogni c ic lo di la voro.
6
Un rispa rmio e ne rge tic o lo otte nia mo a nc he da lla note vole diffe re nz a di pe so spe c ific o fra l’a c c ia io
de ll’a ttua le a ttre z z a tura e il pe so spe c ific o di c inque volte infe riore de lla a ttre z z a tura ibrida in
ma te ria le c omposito; quindi, si utiliz z a me no e ne rgia sia pe r il risc a ldo sia pe r il ra ffre dda me nto.
Proc e dia mo di se guito a d illustra re il forno sottovuoto pe r il qua le sono sta te dise gna te le nuove
c a ric he in ma te ria li c ompositi.
7
Capi tol o 1 F or ni sottovuoto
1.1. Intr oduz i one
Il forno sottovuoto è un forno industria le pe r tra tta me nti te rmic i c he ha a vuto ne gli ultimi de c e nni
una forte diffusione pe r le sue pe c ulia rità te c nic he e qua lita tive , poic hé c onse nte risulta ti unic i pe r il
tra tta me nto te rmic o de i me ta lli sia fe rrosi c he non fe rrosi.
L a pa rtic ola rità di que sto forno c onsiste ne l c irc onda re i c ompone nti c he de ve la vora re da un vuoto a
pre ssione re gola bile gra z ie a d un siste ma di pompe e tra tta rli te rmic a me nte tra mite irra dia z ione c on
e ffic ie nz a e pre c isione .
Si tra tta di una ve ra e propria me todologia di tra tta me nto te rmic o de i me ta lli c he c onse nte di
ra ggiunge re risulta ti impossibili c on a ltri forni industria li, la ddove oc c orre una fusione di pre c isione .
C osa distingue il forno sottovuoto da que llo, a d e se mpio, pe r te mpra o pe r nitrura z ione ?
L a prima sosta nz ia le diffe re nz a risie de ne lla c a pa c ità di inte rve nire su ma te ria li tra diz iona lme nte
diffic ili qua li le le ghe re a ttive (le ghe re a ttive c himic a me nte , più le gge re e ma nte nute a llo sta to
me ta llic o c on diffic oltà , c ome a d e se mpio il C romo).
Attra ve rso l’induz ione è possibile otte ne re un c ontrollo molto pre c iso de i mome nti di tra sforma z ione
de l ma te ria le nonc hé de lla sua riduz ione dura nte il ra ffre dda me nto; il tra tta me nto te rmic o di
pre c isione riduc e distorsioni e de forma z ioni de i pe z z i tra tta ti c on una c osta nz a qua lita tiva c he non ha
e gua li.
L ’inte rno di un forno sottovuoto è una ve ra e propria c a me ra in c ui la pre ssione ra ggiunge live lli pa ri
a 10^-3 mba r c on te mpe ra ture dura nte il proc e sso te rmic o c he osc illa no tra i 800° e i 1600° C .
Ne l forno sottovuoto la te mpe ra tura è uniforme in tutti i punti, la diffe re nz a è solta nto di 2° C ,
minima rispe tto a que lla de i forni sta nda rd. Pe rta nto, è pa rtic ola rme nte a da tto pe r ogge tti di me dio-
pic c ole dime nsioni.
Que sto me todo di la vora z ione ha il va nta ggio di produrre un pe z z o in c ui la distorsione è ridotta a l
minimo. Può quindi e sse re impie ga to a nc he pe r la la vora z ione di me ta lli pre z iosi o ogni a ltro ogge tto
dove la pre c isione de lle forme è indispe nsa bile .
L a finitura e l’a spe tto fisic o de i prodotti tra tta ti è se mpre più importa nte sopra ttutto ne l se ttore
a utomotive dove i forni sottovuoto sono utiliz z a ti in la rga sc a la , ba sti pe nsa re a gli ingra na ggi e a i
c ompone nti me c c a nic i di tra smissione di pote nz a dove la finitura e la qua lità de l tra tta me nto te rmic o
sono e sse nz ia li pe r la sic ure z z a de l ve ic olo.
Oltre a ll’ottima ge stione de l risc a lda me nto, la fa se di ra ffre dda me nto è a ltre tta nto importa nte pe r il
c ic lo c omple to de l tra tta me nto te rmic o. Il me todo ma ggiorme nte utiliz z a to c onsiste ne ll’introduz ione
ne l forno di a z oto in forma ga ssosa c on una pre ssione di 6 ba r.
L ’a sse nz a di a ria pe rme tte il ra ggiungime nto di a ltissime pre ssioni dura nte le la vora z ioni.
8
Il rie mpime nto a vvie ne pe r gra vità , il c he e limina la pre se nz a di c orpi e stra ne i c he possono c re a re
impe rfe z ioni o c onta mina re i pe z z i in la vora z ione .
C i sono dive rse tipologie di forni sottovuoto a l va ria re de l c a ric a me nto, se fronta le , da ll’a lto o da l
ba sso, a l va ria re de lle c a pa c ità e de lle te mpe ra ture .
Di se guito possia mo sc he ma tic a me nte indic a re le tipologie sudde tte
- fr ontale :
Fig.2.1. Forno sottovuoto frontale
Il forno sottovuoto fronta le è c a ra tte riz z a to da ll’a pe rtura fronta le di un pa nne llo c he pe rme tte il
c a ric a me nto de i c ompone nti da la vora re .
L a tipologia de lle c a ric he è solita me nte di pa rtic ola ri di me die e pic c ole dime nsioni.
- ve r tic ale :
Fig.2.2. Forno sottovuoto verticale
Il forno sottovuoto ve rtic a le è c a ra tte riz z a to da ll’a pe rtura supe riore de l pa nne llo pe r il c a ric a me nto
de i c ompone nti da la vora re .
In que sto c a so si pre diligono c a ric he c omposte da pe z z i di lunghe dime nsioni c he ve ngono a ppe si
in ve rtic a le pe r ridurre a l ma ssimo le de forma z ioni.
9
- a c ampana :
Fig.2.3. Forno sottovuoto a campana
Il forno sottovuoto a c a mpa na è c a ra tte riz z a to da ll’a pe rtura infe riore de l pa nne llo pe r il
c a ric a me nto de i c ompone nti da la vora re .
L a tipologia de lle c a ric he è in me dia c ostituita da pa rtic ola ri pe sa nti e di gra ndi dime nsioni.
1.2. T r asmi ssi one di c al or e ne l vuoto
Qua ndo si pa rla di sottovuoto, si fa rife rime nto a lle c ondiz ioni in c ui la pre ssione è infe riore a que lla
a tmosfe ric a .
L 'unità di misura de l Siste ma Inte rna z iona le (SI) è il Pa sc a l (Pa = 1N/m² = 10^-2 mba r), ma
c omune me nte si fa rife rime nto a l milliba r (mba r) c he c orrisponde a 100 Pa .
Il vuoto si pre se nta na tura lme nte ne llo spa z io (10^-8 mba r), ma può e sse re prodotto a rtific ia lme nte
ra ggiunge ndo, in a lc uni c a si, pre ssioni infe riori a 10^-11 mba r.
Da lla te rmodina mic a , sa ppia mo c he c i sono tre modi pe r tra sme tte re il c a lore : tra smissione pe r
c onve z ione , c onduz ione e irra ggia me nto.
Ne l vuoto, la c onve z ione è irrile va nte , poic hé il nume ro molto limita to di mole c ole pre se nti non può
c e de re e ne rgia c ine tic a da lla z ona a te mpe ra tura più a lta ve rso que lla a te mpe ra tura più ba ssa .
Il tra sfe rime nto di c a lore pe r c onduz ione è tra sc ura bile e vie ne c onside ra to solo qua ndo si c a lc ola la
pe rdita di c a lore ve rso l'a mbie nte e ste rno.
L ’irra ggia me nto è l'unic o me z z o pe r risc a lda re un ogge tto ne l vuoto.
Poic hé l'e ne rgia irra dia ta a ume nta c on la qua rta pote nz a de lla te mpe ra tura (le gge di B oltz ma nn), lo
sc a mbio te rmic o ra dia nte si inte nsific a a d a lta te mpe ra tura .
10
1.3. P r e se ntaz i one de l for no sottovuoto
Il forno sottovuoto è c ostituito da una c a rc a ssa a pa re te doppia ra ffre dda ta a d a c qua , c hiusa a te nuta
sia di pre ssione c he di vuoto pe r me z z o de llo sporte llo de l forno, a nc he que sto a pa re te doppia .
L a c a ric a vie ne imme ssa o e stra tta da lla c a me ra di risc a lda me nto a ttra ve rso que sta porta .
All’inte rno de lla c a me ra di risc a ldo a vvie ne il proc e sso di tra tta me nto.
Fig.2.4. Forno sottovuoto frontale a una camera
Dopo la ve ntila z ione de l forno ve ngono a pe rti lo sporte llo de ll'a lloggia me nto de l forno e lo sporte llo
de lla c a me ra di risc a ldo, un a ppa re c c hio di c a ric a me nto de posita la c a ric a sulla ba se de lla c a me ra
inte rna e quindi lo sporte llo si ric hiude .
Il forno è pronto pe r l’a vvia me nto de l c ic lo di tra tta me nto te rmic o c on un siste ma c omple ta me nte
a utoma tic o.
E se mpio di c ic lo pr oduttivo
Inna nz itutto, si proc e de a lla fa se di e va c ua z ione , si proc e de quindi a d a spira re l’a ria in e sso
c onte nuta .
A pa rtire da una de te rmina ta pre ssione , ne l forno vie ne imme sso a z oto o a rgon (dispositivo di
c onve z ione , ma x. 2 ba r), il risc a lda me nto de l forno vie ne a ttiva to e d il motore di c onve z ione iniz ia a
funz iona re .
Si proc e de quindi a l ra ggiungime nto de l profilo di te mpe ra tura /te mpo a sse gna to sotto un'a tmosfe ra
di ga s ine rte in c irc ola z ione .
A c a usa de l ga s ine rte imme sso, la tra smissione de l c a lore a vvie ne non solo pe r irra ggia me nto ma
a nc he pe r c onve z ione te rmic a . L a c onve z ione a ssic ura una distribuz ione uniforme de l c a lore ne lla
c a ric a e c onse nte quindi una ma ggiore ve loc ità di risc a lda me nto ne ll'inte rva llo di te mpe ra ture
ra ggiunte , se nz a a ume nta re il risc hio di de forma z ione .
Al ra ggiungime nto de lla te mpe ra tura di 850° C il forno vie ne e va c ua to di nuovo e d a vvie ne quindi un
a ltro tra tta me nto te rmic o, in que sto c a so sottovuoto.
L a c a ric a vie ne risc a lda ta a lla te mpe ra tura di te mpra e ma nte nuta a ta le te mpe ra tura fino a l te rmine
de ll'a uste nitiz z a z ione .