ITTO20110139A1 - Procedimento per la fabbricazione di componenti in lamiera di acciaio altoresistenziale sottoposti nell'uso a sollecitazioni di fatica, in particolare componenti per sospensioni di veicolo - Google Patents

Procedimento per la fabbricazione di componenti in lamiera di acciaio altoresistenziale sottoposti nell'uso a sollecitazioni di fatica, in particolare componenti per sospensioni di veicolo Download PDF

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Description

"Procedimento per la fabbricazione di componenti in lamiera di acciaio altoresistenziale sottoposti nell'uso a sollecitazioni di fatica, in particolare componenti per sospensioni di veicolo"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un procedimento per la fabbricazione di componenti in lamiera di acciaio altoresistenziale destinati ad applicazioni affaticanti, cioà ̈ componenti che nell'uso sono sottoposti a sollecitazioni di fatica. In particolare, anche se non esclusivamente, l'invenzione riguarda la fabbricazione di componenti in acciaio altoresistenziale destinati a essere impiegati in sospensioni di veicolo. Nella descrizione e nelle rivendicazioni che seguono il termine "altoresistenziale" à ̈ da intendersi riferito a un acciaio avente una tensione di snervamento superiore a 420 MPa.
Com'à ̈ noto, le operazioni di deformazione plastica eseguite su lamiere di acciaio lasciano stati di tensionamento nel materiale, le cosiddette "tensioni residue", che risultano essere dello stesso ordine di grandezza della tensione di snervamento del materiale. Lo stesso accade in seguito all'esecuzione di una saldatura a cordone su una lamiera: a seconda di quanto il giunto saldato sia libero di deformarsi in seguito al raffreddamento, vengono generate tensioni residue nel materiale che sono elevate nella zona del cordone di saldatura e decrescono man mano che ci si allontana dalla zona del cordone di saldatura. Questi stati di tensionamento residuo del materiale permangono nel componente finale per tutta la sua durata di esercizio. Se il componente finale à ̈ chiamato a resistere a sollecitazioni di fatica (come ad esempio nel caso dei componenti per sospensioni di veicolo), allora lo stato di tensionamento residuo riduce in genere la capacità del componente di soddisfare i requisiti richiesti in termini di resistenza a fatica. L'effetto di riduzione della resistenza a fatica del componente à ̈ tanto maggiore quanto maggiore à ̈ la qualità ("grade") dell'acciaio con cui il componente à ̈ realizzato. Ciò à ̈ da ricondurre al fatto che il limite di fatica à ̈ meno dipendente dalla tensione di snervamento del materiale rispetto al livello di tensionamento residuo, che invece à ̈ direttamente legato alla tensione di snervamento del materiale. Per compensare la riduzione della resistenza a fatica dovuta allo stato di tensionamento residuo nel materiale, si ricorre all'aumento di spessore del materiale (con conseguente impatto sul peso e sul costo del componente) o all'adozione di materiale speciali (ad esempio acciai al boro) che vengono sottoposti a trattamento termico, e precisamente a tempra seguita da rinvenimento o distensione, e grazie a tale trattamento termico permettono di raggiungere elevate caratteristiche meccaniche e al contempo di ridurre (se non annullare) lo stato di tensionamento residuo conseguente al processo di formatura e al trattamento di tempra.
Nel caso di componenti in lamiera di acciaio per sospensioni di veicolo ottenuti per formatura di semilavorati in tubo, il procedimento di fabbricazione comprende innanzitutto una fase cosiddetta di tubificazione, cioà ̈ di realizzazione di un semilavorato a forma di tubo, che consta tipicamente delle seguenti operazioni:
1) realizzazione di nastri aventi larghezza pari alla circonferenza richiesta del tubo a partire da un coil di lamiera di acciaio laminato a freddo o a caldo;
2) svolgimento dei nastri e realizzazione in continuo del tubo mediante esecuzione in sequenza di operazioni di profilatura;
3) saldatura longitudinale (cioà ̈ in direzione parallela all'asse del tubo) senza apporto di materiale più eventuale scordonatura; e
4) raddrizzatura del tubo.
Il semilavorato in tubo così ottenuto viene quindi sottoposto a formatura (tipicamente mediante stampaggio a freddo e/o idroformatura) in modo da acquisire la geometria finale desiderata. Nel caso ad esempio di una traversa per una sospensione posteriore a ponte torcente per autoveicolo, il semilavorato in tubo viene curvato e/o schiacciato in modo da acquisire l'andamento del proprio asse longitudinale e/o la forma della propria sezione trasversale desiderati. Nel caso di utilizzo di acciai generali da costruzione (ad esempio Fe510D) o di acciai di trattamento termico (ad esempio 20MnB5), prima della formatura viene eseguito un trattamento di normalizzazione al fine di ridurre l'elevato stato di tensionamento residuo generato dal processo di tubificazione, che à ̈ tipicamente poco inferiore alla tensione di snervamento del materiale. Inoltre, nel caso di acciai da trattamento termico il componente formato viene infine sottoposto a trattamento di bonifica, cioà ̈ a tempra più rinvenimento, al fine di raggiungere le elevate caratteristiche meccaniche richieste dalla specifica missione del componente. Al trattamento di bonifica può eventualmente seguire un'operazione di pallinatura al fine di aumentare ulteriormente la resistenza a fatica del componente. Nel caso di utilizzo di acciai normali da costruzione, i componenti così ottenuti presentano caratteristiche meccaniche basse, a fronte però di bassi costi di produzione, mentre con l'utilizzo di acciai da trattamento termico si ottengono componenti aventi caratteristiche meccaniche molto elevate, a fronte però di elevati costi di produzione.
Scopo della presente invenzione à ̈ proporre un procedimento per la fabbricazione di componenti in lamiera di acciaio sottoposti nell'uso a sollecitazioni di fatica, quali ad esempio componenti per sospensioni di veicolo, che permetta di garantire l'ottenimento di elevate caratteristiche meccaniche, ben superiori a quelle ottenibili con l'utilizzo di acciai normali da costruzione, ma che richieda tempi e costi inferiori a quelli richiesti nel caso di utilizzo di acciai da trattamento termico.
Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo l'invenzione grazie a un procedimento comprendente i passi definiti nell'annessa rivendicazione indipendente 1.
Modalità di attuazione vantaggiose del procedimento secondo l'invenzione sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendere come parte integrale e integrante della descrizione che segue.
In sintesi, l'invenzione si basa sull'idea di utilizzare un acciaio altoresistenziale che non richiede tempra, in particolare un acciaio altoresistenziale microlegato, e di effettuare, successivamente alla fase di formatura, solamente un trattamento termico di distensione, anziché un trattamento termico di bonifica. Il trattamento di distensione à ̈ ad esempio eseguito mantenendo il componente a una temperatura compresa preferibilmente nell'intervallo da 530°C a 580°C per un tempo compreso nell'intervallo da 45 a 60 minuti e lasciando quindi raffreddare il componente in aria. Il trattamento di distensione consente di ridurre, se non addirittura di annullare completamente, le tensioni residue nel materiale generate nelle fasi precedenti del procedimento di fabbricazione (tubificazione, nel caso di componente ottenuto a partire da un semilavorato in tubo, e formatura), con conseguente ottenimento di elevate caratteristiche di resistenza a fatica del componente. A tale proposito, si tenga conto che nei componenti destinati all'impiego su sospensioni di veicolo la resistenza a fatica à ̈ uno dei requisiti più importanti. Un ulteriore vantaggio à ̈ dato dal fatto di evitare il trattamento di tempra e di eliminare quindi i tempi e i costi ad esso connessi. Inoltre, il trattamento di distensione richiede temperature e tempi inferiori a quelli richiesti dal trattamento di rinvenimento (tipicamente da 590°C a 610°C per un tempo di circa 2 ore). I risparmi in termini di tempi ciclo e di costi (sia costi di processo sia costi di attrezzature) rispetto all'utilizzo di acciai da trattamento termico e all'esecuzione di un trattamento di bonifica al termine della formatura risultano quindi evidenti. Oltretutto, il trattamento di bonifica modifica pesantemente la metallografia del materiale e quindi richiede specifici controlli di qualità sul componente finito per monitorare la corretta effettuazione del trattamento. Il procedimento secondo l'invenzione non richiede invece tali specifici controlli, dal momento che non prevede l'esecuzione sul componente formato di un trattamento di bonifica, ma solo di un trattamento di distensione.
Ai fini della presente invenzione, il termine "formatura" à ̈ utilizzato per indicare un qualsiasi processo di deformazione plastica eseguito sulla lamiera, fra cui in particolare un processo di tubificazione, un processo di profilatura, un processo di stampaggio a freddo o un processo di idroformatura. A prescindere dallo specifico processo utilizzato (o dagli specifici processi utilizzati, dato che potrebbero essere previsti in sequenza più processi di formatura di tipo diverso) per formare il componente a partire da un foglio di lamiera di acciaio altoresistenziale, secondo l'invenzione viene eseguito un trattamento termico di distensione al termine della formatura del componente, in modo da ridurre il più possibile, o addirittura eliminare completamente, lo stato di tensionamento residuo generato nel materiale a seguito della formatura.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del procedimento secondo l'invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue di una sua modalità di attuazione preferita.
Il procedimento di fabbricazione secondo l'invenzione prevede innanzitutto l'ottenimento di un componente, quale ad esempio un componente per sospensione di veicolo, mediante una o più operazioni di formatura a partire da un foglio di lamiera di acciaio altoresistenziale, in particolare di acciaio altoresistenziale microlegato, quale ad esempio acciaio S600MC. Il componente può essere ad esempio una traversa per sospensione a ponte torcente, un braccio longitudinale o trasversale per sospensione a ruote indipendenti o per sospensione a ruote interconnesse, un telaio per sospensione anteriore, ecc. Nel caso di un componente tubolare o profilato, quale ad esempio una traversa per sospensione a ponte torcente, si avrà inizialmente un processo di tubificazione (o più in generale di profilatura) quale quello descritto nella parte introduttiva della descrizione presente domanda, in modo da ottenere un semilavorato in tubo che sarà poi soggetto a formatura vera e propria. La formatura può essere eseguita mediante stampaggio a freddo e/o idroformatura. Durante la fase di formatura possono ovviamente essere previste anche altre operazioni sul componente, quali ad esempio saldature a cordone. Anche l'esecuzione di saldature a cordone, genera tensioni residue nel materiale.
Dopo la formatura (e la saldatura a cordone, ove prevista), il componente così ottenuto viene sottoposto a trattamento termico di distensione al fine di ridurre al minimo lo stato di tensionamento residuo generato nel materiale per effetto della deformazione plastica subita durante la formatura, oltre che eventualmente per effetto del processo di tubificazione o profilatura o per effetto della realizzazione di saldature a cordone. Il trattamento di distensione à ̈ ad esempio eseguito mantenendo il componente formato a una temperatura compresa ad esempio nell'intervallo da 530°C a 580°C per un tempo compreso ad esempio nell'intervallo da 45 a 60 minuti e lasciando quindi raffreddare il componente in aria. Gli intervalli di temperatura e di tempo sopra indicati per lo svolgimento del trattamento di distensione sono da ritenere validi per acciai altoresistenziali microlegati, quali ad esempio S550MC e S700MC, e potrebbero dunque variare nel caso di utilizzo di acciai altoresistenziali di tipo diverso.
La Richiedente ha constatato sperimentalmente che la durata a fatica di tubi formati in acciaio S700MC aumenta di circa 10 volte se il tubo à ̈ sottoposto a trattamento termico di distensione dopo lo stampaggio. Analoghi test di fatica sono stati eseguiti dalla Richiedente su tubi formati in acciaio S550MC e hanno fornito come risultato una durata a fatica almeno doppia/tripla (i test sono stati interrotti per ragioni di durata, senza rilevare rotture) rispetto a quella di analoghi tubi non sottoposti a trattamento di distensione.
Alla luce di quanto sopra descritto, appare evidente come l'idea di sottoporre un componente formato in lamiera di acciaio altoresistenziale a trattamento termico di distensione dopo la formatura consenta di ottenere, con tempi e costi inferiori rispetto a quelli richiesti nel caso in cui il componente sia sottoposto a trattamento termico di tempra e rinvenimento dopo la formatura, componenti con elevate caratteristiche di resistenza meccanica, in particolare di resistenza a fatica. Il procedimento secondo l'invenzione si presta quindi in modo particolare a essere utilizzato per la fabbricazione di componenti per sospensioni di veicolo, trattandosi di componenti cui sono imposti elevati requisiti di resistenza a fatica e che devono essere prodotti con tempi e costi i minori possibili.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le modalità di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo fuoriuscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (5)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la fabbricazione di componenti in lamiera di acciaio altoresistenziale sottoposti nell'uso a sollecitazioni di fatica, particolarmente componenti per sospensioni di veicolo, comprendente i passi di: a) eseguire una o più operazioni di formatura su un foglio di lamiera di acciaio altoresistenziale in modo da conferire al componente la geometria desiderata; b) sottoporre il componente così formato a trattamento termico consistente unicamente in un trattamento di distensione.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui viene utilizzato al passo a) di formatura un foglio di lamiera di acciaio altoresistenziale microlegato.
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui il passo b) di distensione à ̈ eseguito mantenendo il componente formato a una temperatura compresa nell'intervallo da 530°C a 580°C per un tempo compreso nell'intervallo da 45 a 60 minuti e lasciando quindi raffreddare il componente in aria.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle ri vendicazioni precedenti, in cui la formatura del componente eseguita al passo a) comprende almeno una delle seguenti operazioni: tubificazione, profilatura, stampaggio a freddo e idroformatura.
  5. 5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre il passo di realizzare almeno una saldatura a cordone sul componente, in cui tale passo di saldatura à ̈ eseguito prima del passo b) di distensione.
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