Trattamento Superficiale mediante Laser di Acciai Inossidabili

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Introduzione 
Nonostante la scoperta della prima lega Fe-Cr assimilabile ad un acciaio inossidabile risalga alla 
seconda metà del 1800, l’acciaio inossidabile non ha perso la sua fama di “materiale versatile”.  
Difatti, grazie alle numerose classi di acciai appartenenti alla famiglia di inossidabili e allo sviluppo 
di nuove tecnologie di produzione, lavorazione, e trattamento, questo materiale rimane uno dei 
preferiti dalle aziende, in più campi applicativi: alimentare, aeronautico, tecnologico, automotive, 
medico-chirurgico, ecc… . 
Ovviamente la continua ricerca di migliori compromessi in termini di resistenza meccanica, 
durezza, e resistenza a corrosione portano avanti lo sviluppo di materiali innovativi, o di tecniche 
che permettano di ottenere da un materiale già noto un miglioramento a livello chimico e fisico. 
Le migliori alternative individuate negli ultimi anni privilegiano l’utilizzo di Inox ferritici, austenici al 
Cromo-Manganese, e le leghe lean-duplex. 
Il problema fondamentale che si pone all’utilizzatore, è il fatto che alcune classi di acciai 
inossidabili sono soggette a particolari restrizioni se non impossibilità riguardo all’applicazione di 
trattamenti termici che migliorino la qualità meccanica generale, mentre altri presentano vari 
punti interrogativi proprio per la mancanza di esperienza sperimentale a riguardo. 
Questi materiali infatti offrono sicuramente un notevole risparmio in termini economici, ma per 
contro rimangono ancora troppi i dubbi riguardo le loro caratteristiche tecnologiche. 
A tale proposito, la seguente tesi, basata su un lavoro sperimentale svoltosi all’interno della 
struttura di ricerca DIN dell’Università di Bologna, cercherà di chiarire il lettore riguardo alla 
possibilità di utilizzare una tecnologia innovativa come quella Laser su un materiale che, per 
quanto ci è noto fino ad’ora, non è mai stato sottoposto a tale tipo di lavorazione.  
Per raggiungere dei risultati attendibili (che siano essi positivi o negativi ma che comunque ci 
permettano di determinare un comportamento del materiale in questione una volta trattato con 
questa tecnologia), si è deciso di procedere empiricamente, cioè basandosi su determinate 
impostazioni delle variabili in gioco durante il trattamento, come velocità del fascio, temperatura 
di trattamento, potenza richiesta etc… , e confrontando i risultati ottenuti, in modo da valutare 
quale set di valori sia il migliore e se, nonostante la sua classificazione rispetto agli altri set, ci 
permette di ottenere dei validi risultati tecnologici, soprattutto riguardo la durezza del materiale, 
in quanto corrisponde essere lo scopo principale richiesto al dipartimento dall’azienda 
commissionante il lavoro in questione. 
Il materiale da utilizzare è un acciaio inossidabile indurente per precipitazione della serie AISI 630, 
usato per la costruzione di alberi di trasmissione per moti rotatori in agitatori e miscelatori 
alimentari. 
Per migliorare le proprietà meccaniche del materiale in relazione all’utilizzo finale, si vuole trovare 
un metodo di trattamento superficiale economico e sicuro, che permetta di aumentare la durezza 
in superficie del pezzo, poiché sottoposto a notevoli sollecitazioni meccaniche durante la messa in 
esercizio, soprattutto a causa del tipo di accoppiamento ad incastro con il mozzo, risultante essere 
a sezione quadrata, e quindi notevolmente stressata lungo i fianchi degli spigoli.
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A tale scopo, si è deciso di sperimentare su questo materiale la tecnica di trattamento termico 
tramite sorgente laser, un tipo di lavorazione che negli anni si è imposta rispetto alla sua diretta 
concorrente, la tempra per induzione, soprattutto nel caso di pezzi piccoli e di geometria 
complessa, grazie alla sua versatilità e al risparmio energetico che consegue dal suo utilizzo. 
La seguente tesi si suddivide in due parti principali. La prima parte è composta di due capitoli, di 
cui il primo tratta in maniera bibliografica e teorica la lavorazione tramite sorgenti laser, 
elencando caratteristiche, tipi di laser esistenti, e interazione laser – materia, mentre il secondo 
introduce in maniera sommaria la famiglia degli acciai inossidabili, elencando brevemente le 
caratteristiche e i tipi principali presenti sul mercato. 
La seconda parte della tesi, corrispondente al capitolo 3, elencherà in maniera chiara e precisa i 
passaggi pratici del lavoro sperimentale fulcro della tesi e i risultati ottenuti, confrontandoli 
opportunamente con quelli ottenuti dalla lavorazione tramite laser di altri materiali noti in 
precedenza, al fine di valutare la validità dell’operazione sul materiale da analizzare.
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Capitolo 1 
LA TECNOLOGIA LASER – GENERALITÁ 
1.1 – INTRODUZIONE
 
Una sorgente laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) è un dispositivo in 
grado di generare un fascio di radiazioni elettromagnetiche dotate di una ben precisa lunghezza 
d’onda e di una sola fase, con una divergenza molto limitata. Le applicazioni che utilizzano questo 
tipo di strumento sono molte, e varie fra loro. Ad esempio si può utilizzare il laser in ambito 
medico, per operazioni ad alta precisione (come gli interventi alla vista), o in ambito industriale, 
per operazioni di saldatura, taglio, e trattamento termico.  
Nel campo industriale, la lavorazione di materiali tramite l’utilizzo del laser è molto apprezzata 
grazie alla velocità di esecuzione ed alla poca potenza richiesta per il suo utilizzo. Ad esempio nel 
caso di tempra di un acciaio tramite termo-induttore, i picchi di potenza durante l’operazione  
possono raggiungere anche i 50-60 kW a causa di rendimenti di trasformazione elettrico-termici 
molto bassi, mentre nel caso del trattamento superficiale con l’utilizzo del laser, la potenza 
richiesta per l’operazione può raggiungere al massimo i 2-3 kW e l’intera cella di lavorazione 
necessita di soli 10 kW di potenza elettrica rispetto a quella spesa per la tempra ad’induzione.  
Soffermandoci sempre sul trattamento di tempra, altre differenze tra tempra laser e tempra per 
induzione è il fatto che quest’ultima necessita di termo-induttori a geometria perfettamente 
combaciante con il pezzo da trattare. Nonostante ciò, la tempra per induzione è ancora 
ampiamente usata dalle industrie, soprattutto nel caso si debbano temprare elementi 
assialsimmetrici che quindi necessitano di una sorgente temprante che riscaldi uniformemente 
l’intera superficie, cosa che purtroppo è difficilmente possibile con il trattamento laser, in quanto 
la tempra in quest’ultimo caso avviene per passaggio del fascio di radiazioni sul pezzo secondo una 
determinata traiettoria, circolare o lineare, o combinate. 
1.2 – FISICA DEL LASER 
Come precedentemente detto, il fascio laser non è altro che un onda elettromagnetica, e quindi 
dotata di energia trasportata in modo tale che sia ripartita equamente tra un campo elettrico e un 
campo magnetico, rappresentabili come vettori E e B,  e variabile nello spazio e nel tempo con 
legge sinusoidale. 
 
Figura 1.1 -  Rappresentazione schematica di una radiazione elettromagnetica.
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La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche è equivalente al prodotto tra la 
lunghezza d’onda “ λ ” e la frequenza della radiazione elettromagnetica “ f ”, quest’ultima 
inversamente proporzionale al periodo “ τ “ dell’onda.  
A seconda del valore di λ, l’onda elettromagnetica può rientrare in una determinata categoria 
elencata nello spettro delle radiazioni elettromagnetiche riportato nella seguente figura. 
 
Figura 1.2 - Classificazione in base a λ delle lunghezze d’onda delle radiazioni elettromagnetiche,[4] 
 
La lunghezza d’onda dell’emissione di una sorgente laser può rientrare nel campo visibile 
(f=4·10
14
÷8·10
14
 Hz, e lunghezza d’onda λ=0.38÷0.78μm), o avere un valore rientrante nei campi 
non visibili di luce ultravioletta o infrarossa, rispettivamente a lunghezza d’onda “corta” o “lunga”.  
 
Nel nostro caso, il fascio laser è del tipo non visibile  e precisamente infrarosso. Inoltre è composto 
da fotoni dotati di uguale frequenza, che lo rende idealmente monocromatico, ma realmente 
meno preciso. In ogni caso la componente principale è incentrata su una singola lunghezza d’onda 
λ pari a 0,98  μm, ossia 980 nanometri( i laser industriali vanno da 0,98 a 1,06 e sono tutti non 
visibili). L’intensità del fascio di fotoni che esce dalla sorgente laser e colpisce la superficie da 
lavorare dipende solo dall’ampiezza della lunghezza d’onda e, come per le onde 
elettromagnetiche, anche i fotoni possiedono una energia e
f
, equivalente a: 
e
f 
= hf, 
dove f rappresenta la frequenza e h risulta essere la costante di Planck ( 6,62x10
-34
 J·s). 
Proprietà fondamentali del fascio di fotoni utilizzato dalla sorgente Laser sono appunto la 
monocromaticità, l’unicità di fase e la bassa divergenza. Queste tre proprietà del fascio 
permettono di ottenere, tramite un preciso posizionamento di lenti interne alla testa di sparo del 
laser, un elevata focalizzabilità, fornendo cioè al fascio un percorso geometrico convergente -