ITTV960146A1 - Procedimento per il trattamento termico di boccole particolarmente per veicoli cingolati e simili - Google Patents

Description

"PROCEDIMENTO PER IL TRATTAMENTO TERMICO DI BOl·CCOLE, PARTICOLAR-MENTE,PER VEICOLI CINGOLATI E SIMILI"

DESCRIZIONE

La presente domanda ha per oggetto un procedimento per il trattamento termico di boccole, particolarmente per veicoli cingolati e simili.

Oggi giorno i veicoli cingolati vengono-Utilizzati per la movimentazione in ambienti particolarmente difficili ed altamente abrasivi per cui i relativi cingoli vengono sottoposti a notevole usura ed anche a fatica dovuta a vibrazioni è compressioni specifiche, questo comportando la necessità di una rapida sostituzione per rottura, richiedendo quindi varie sostituzioni nell'arco di vita del cingolato stesso.

In particolare si ha che il cingolo è composto da vari componenti, il medesimo consistendo, principalmente, in una catena senza fine a cui sono associati dei pattini i quali sono generalmente imbullonati ad un insieme di raccordo;e possono essere smontati indipendentemente dagli altri componenti il cingolo.

Quest'ultimo si compone quindi di maglie, perni e boccole, oltre a guarnizioni, anelli di spinta e lubrificatori, tali componenti essendo assiemati operando una pressione sulle rispettive estremità dei raccordi sui perni e sulle'boccole per mezzo di presse per cingoli ad alta potenza (esercitanti una forza pari circa a 50÷60 tonnellate).

Qualora quindi sia necessario effettuare'la sostituzione di uno specifico componente usurato del cingolo è necessario innanzitutto rimuovere il cingolo dal veicolo e trasportare il medesimo ad una officina dotata di specifiche presse per cingoli, questo comportando costi piuttosto elevati e tempi lunghi.

In dettaglio, inoltre, si deve rilevare'come ciascuno dei vari componenti il cingolo abbia una resistenza all'usura distlrfta, questa potendo variare in modo rilevante tra i componenti Inizialmente il problema dell'usura investiva principalmente i perni e la superficie interna delle boccole ad essi accoppiate! tale problema essendo stato superato dall'utilizzo di cingoli stagni e lubrificati che, di fatto, hanno diminuito notevolmente l'usura del perno e della relativa sede interna della boccola in cui è alloggiato.

Tra tutti i componenti quello che oggi giorno risulta assoggettato ad una più veloce usura è costituito essenzialmente dalla superficie esterna della boccola, tale usura verificandosi principalmente a causa del contatto e quindi dell'attrito tra i denti della ruota motrice al momento in cui questa impegna e disimpegna la boccola stessa.

Inoltre l'ambiente tipo in cui operano tali veicoli cingo lati è caratterizzato dalla presenza di materiali abrasivi in notevole quantità, come sabbia, scorie, roccie, sporcizie e fango òhe vanno quindi direttamente a contatto con la superficie esterna della boccola che a sua volta va a contatto con la ruota di trascinamento.

Si deve inoltre far presente come le boccole siano assoggettate anche a rotture per fatica, che si verificano ad esempio quanto le boccole sono sottoposte a vibrazioni dovute all'attività di scavo oppure quando sottoposte a grosse compresi limitate su punti specifici; si deve infatti tener conto quando ad esempio gli scavatori lavorano in ambienti disuniformi per la presenza di massi, buche ecc. può anche accadere una sola boccola debba sopportare il peso dell'intero mezzo cingolato Oggi giorno le boccole possono essere ottenute a partire da un tubo di acciaio che viene poi successivamente lavorato oppure normalmente prodotte a partire da barreidi acciaio tonde attraverso un procedimento di taglio, foratura oppure estrusione con successiva fase di tornitura per portarle alla forma deside rata.

Per incrementare la durata di tali boccole è noto assoggettare l e stesse a trattamenti termici che sono essenzialmente di due tipi: cementazione e tempra oppure bonifica a cuore e tempra ad induzione esterna ed interna.

Lo scopo di tali trattamenti noti è quello di ottenere una durezza superficiale sufficiente per avere una grossa resistenza all'usura ed una tenacità nella parte centrale della boccola (chiamata anche "cuore") in grado di sopportare le sollecitazioni à fatica.

La durezza superficiale viene misurata in HRC e normalmente un valore di durezza superficiale superiore a 50 HRC è considerato ottimale per la resistenza all'usura ed un valore inferiore ai 45 HRC è considerato necessario per garantire,una corretta tenacità a cuore del pezzo.

.u n problema quindi che nasce nei trattamenti di queste cole consiste nel fatto che bisogna cercare di portare la parte superficiale esterna ad una durezza ottimale per una profondità sufficiente a garantire il pezzo contro l'usura e lasciare cont stualmente il cuore con durezza sufficientemente bassa per garantire elevata tenacità; il cuore però deve presentare una durezza sufficientemente elevata per garantire una resistenza del pezzo alle rotture dovute a pressioni specifiche elevate ed inoltre bisognerebbe, per contenere i costi, lasciare uno spessore di durezza elevata, per la superficie interna della boccola, il più piccolo possibile.

Tali problemi non risultano ottimamente risolti dalla tecnica nota in cui, ad esempio, il procedimento,di cementazione e tempra è finalizzato ad arricchire superficialmente di carbonio un acciaio a basso contenuto di carbonio (acciaio da cementazione, norme UNI 7846/78), tale processo di cementazione svolgendosi portando il pezzo ad una temperatura di circa 950 °C e facendo affluire un gas ad alto contenuto di carbonio il tutto all'interno di un forno a tenuta stagna (forno da cementazione).

Il gas cede parte del suo contenuto di carbonio al pezzo per diffusione; per le boccole tale processo dura mediamente dalle 20 alle 30 ore di mantenimento nel gas dopodiché il pezzo, una volta raffreddato ed estratto dal forno di cementazione, viene nuovamente riscaldato ad una temperatura intorno ai 900 °C e drasticamente raffreddato con un liquido temprante, quale acqua, acqua addittivata o altro (processo di tempra)

Successivamente viene effettuata la fase di distensione: si provvedere cioè a riscaldare, in un forno elettrico o a gas o altro, il pezzo ad una temperatura di 150-200 °C, per un tempo di una o più ore a seconda delle dimensioni e del tipo di trattamento to effettuato e ciò per aumentare la tenacità della parte cementata del pezzo ed eliminare le tensioni interne all'acciaio cau sate dal trattamento stesso.

Una boccola così trattata presenta, ad iuna osservazione micrografica, una struttura metallurgica di tipo prevalentemente martensitico su tutta la sezione e quindi con a cuore qualche residuo di struttura intermedia di raffreddamento (ad esempio pezzo stesso.

A seguito di tale trattamento noto il pezzo assume una elevata durezza superficiale ad esempio per una profondità variabile da 1,5 mm ai 3,5 mm ed una durezza inferiore nel cuore del pezzo; in Fig.2 è illustrata una curva di durezza di una boccola cementata.

Tale metodo di tipo noto appena descritto presenta però gli inconvenienti precedentemente segnalati; non è infatti possibile, con tale metodo, differenziare lo spessore dello strato più duro tra la superficie esterna e quella interna della boccola ed inoltre la struttura metallurgica a cuore non conIsente una grande resistenza alla fatica.

Qualora inoltre con tale procedimento 3i volessero rag giungere strati sempre più profondi, ad esempio sopra i 3,5 mm,'di. durezza superiore ai 50 HRC si dovrebbe aumentare la temperatura di cementazione, questo però incrementando i problemi di durata del forno di cementazione stesso.

Alternativamente si dovrebbe mantenere il pezzo in forno per un tempo più lungo, questo incrementando comunque i tempi di lavorazione e quindi i costi globali.

Il rapporto tra lo spessore dello strato indurito d ed il tempo di cementazione t è dato dalla formula d=k/t dove con k si è indicata la costante determinata dal tipo di acciaio, dall'atmosfera di mentazione e dalla temperatura; nel caso quindi si volesse aumentare lo spessore, ad esempio da 4m a 7 m,

be necessario triplicare i tempi di cementazione e ciò comporterebbe un aumento considerevole dei costi dell'operazione; inoltre si è verificata la tendenza alla formazione sulla superficie della boccola di difetti in forma di uno strato intergranulare ossidato (strato di cementazione anormale) che di fatto riduce sensibilmente la resistenza alla fatica del componente.

Il procedimento di bonifica a cuore e tempra ad induzione esterna ed interna di tipo noto è invece finalizzato all'ottenimento di caratteristiche meccaniche e metallurgiche che consentano un miglioramento della resistenza all'usuraie alle solleci a rispetto al trattamento di cementazione e te pra; tale procedimento di tipo noto, che prevede l'uso di particolare materiale da trattare quale un acciaio da bonifica si articola essenzialmente in quattro fasi di cui la prima è anche nominata "bonifica massiva" e prevede che il trattamento mediante il riscaldamento del pezzo ad una temperatura al di sopra del limite di austenitizzazione del pezzo (circa intorno agli 820÷860 °C) per un tempo sufficiente alla completa trasformazione del materiale (circa 1 ora) e successivamente raffreddato drasticamente con un liquido temprante; la boccola viene poi riscaldata ulteriormente ad una temperatura inferiore al punto critico di trasformazione, temperatura che varia in funzione del valore di durezza voluto per il pezzo alla fine del processo massivo, la fase di rinvenimento durando circa 1 ora.

La seconda fase del processo è detta anche da "tempra esterna: in essa il pezzo viene riscaldato superficialmente per una profondità di circa 3,5-:6 min con un sistema ad induzione elettromagnetica ed immediatamente raffreddato tramiteun getto di liquido refrigerante.

La terza fase è definita "tempra interna":viene effettuato lo stesso procedimento di riscaldamento con rapidto raffreddamento anche per la superficie interna con una profondità di tempra (profondità dello strato indurito) di circa 1÷2,5 min.

La quarta fase è quella denominata di "distensione", in essa venendo effettuato lo stesso tipo di distensione del trattamento di cementazione e tempra per aumentare la tenacità del pezzo ed eliminare le tensioni interne all'acciaio dal trattamento stesso.

Graficamente il risultato può essere illustrato da squanri riportato in fig. 3 in cui la struttura metallurgica che viene ottenuta con questo procedimento di tipo noto èÌtale da presentare a cuore una struttura martensitica rinvenuta (sorbite) mentre sulle zone superficiali del diametro interno /ed esterno della boccola (non sulle teste) si ha una struttura martensitica.

Tra le zone esterne ed il cuore della boccola si creano due zone con struttura mista (ferrite, bainite, perlite); la presenza a cuore di una struttura sorbitica consente di avere una tenacità molto superiore a quella che si ottiene con una struttura martendel pezzo cosi ottenuto: in esso si può notare come sia possibile ottenere uno spessore con durezza superiore ai 50 HRC più grande nel diametro esterno e minore in quello interno con valori di spessore che possono essere di molto superiori ai 3.5 mm ott.enibili con il processo di cementazione nel mentre a cuore si scende fino a 20÷25 HRC di durezza.

Compito di quanto forma oggetto del presente ritrovato è quindi quello di risolvere i problemi tecnici evidenziati, eliminando gli inconvenienti di cui alla tecnica nota citata e quindi escogitando un procedimento per il trattamento termico di boccole che consenta di ottenere a costi e tempi contenuti delle boccole che presentino una vita, e quindi una resistenza all'usu ra e alla rottura, superiore rispetto alle boccole ottenute con procedimento di tipo noto.

Nell'ambito del compito sopra esposto un altro

scopo è quello di realizzare un procedimento che consenta l’ottenimento di boccole in cui sia possibile differenziare lo spessore dello strato con durezza superiore ai 50 HRC fra la superficie esterna e la superficie interna ed inoltre che si possano raggiungere spessori sulla superficie esterna molto superiori a quelli ottenibili con il processo, noto, di cementazione e tempra.

Ancora un importante scopo è quello di ottenere un procedimento che consenta l'ottenimento di una boccola che presenti una elasticità del pezzo stesso rispetto ai trattamenti di cementazione e tempra noti.

Un altro importante scopo è quello di realizzare un procedimento che permette di conseguire prodotti che ai vantaggi precedentemente illustrati accomuni quelli di avere costi inferiori a parità di caratteristiche meccaniche ottenibili mediante i procedimento di tipo noto illustrati.

Il compito e gli scopi sopra accennati nonché altri che più chiaramente appariranno in seguito vengono raggiunti da un procedimento per il trattamento termico di boccole, particolarmente per veicoli cingolati e simili, che si caratterizza per il fatto di prevedere le seguenti fasi anche in sequenze diverse:

a) tempra esterna con un riscaldamento per circa i 7/10÷10/l dello spessore di detta boccola e raffreddamento con liquido temprante;

b) tempra interna con un riscaldamento per circa i 4/10÷7/10 dello spessore di detta boccola e raffreddamento con liquido temprante;

c) distensione di detta boccola.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risultera in.-no maggiormente dalla descrizione dettagliata di una particolare. ma non esclusiva, forma di realizzazione, illustrata a titolo indicato e non limitativo, nelle allegate tavole di disegni in ci:

procedimenti e prodotti di cui alla tecnica nota;

le figg. 5, 6, 7 ed 8 illustrano in vari diagrammi delle caratteristiche riscontrate nel prodotto ottenuto con :il procedimento oggetto della presenta domanda;

le figg. 9 e 10 illustrano in ulteriorijdue diagrammi una comparazione tra l'usura riscontrabile in uniprodotto ottenuto con la tecnica nota e con il presente procedimento nonché un diagramma relativo alla durezza riscontrata in tre sezioni di un campione ottenuto con il procedimento oggetto della presente domanda.

Con riferimento alle figure precedentemente citate il procedimento per il trattamento termico di boccole [particolarmente ma non esclusivamente per veicoli cingolati e simili risulta preve dere una prima fase in cui viene effettuata una tempra riscaldando, a partire dalla superficie esternna, la boccola uno spessore circa pari ai 7/10-10/10 della stjessa ad una temperatura quindi pari circa a 800-900 °C mediante un riscaldamento ad induzione.

Successivamente il pezzo viene raffreddato con liquido tem-

Si ottiene in questo caso un profilo di durezza come riportato nella fig. 5 e una struttura metallurgica come illustrato nella fig.6.

Il fatto che in quest'ultima la coda finale interna della bilità del materiale (jominy) e dallo spessore;della boccola. Successivamente il procedimento prevede 1'effettuazione di una tempra mediante riscaldamento ad induzione della superficie interna della boccola per una profondità pari circa a 4/10÷7/10 dello spessore della stessa a partire dalla superficie interna; il riscaldamento viene effettuato ad una temperatura che sulla superficie del pezzo deve raggiungere gli 800÷900 °C.

Successivamente il pezzo viene raffreddato con liquido temprante; si ottiene in questo caso un profilo,di durezza finale come riportato nella fig. 7 ed una struttura metallurgica finale come illustrato in fig. 8.

Il procedimento prevede successivamente la effettuazione di una fase di distensione in cui si provvede a riscaldare, in un forno elettrico o a gas o altro, il pezzo ad una temperatura di circa 150÷200 °C, per un tempo che può variare da una a più ore seconda delle dimensioni del pezzo e del tipo di trattamento effettuato e ciò per aumentare la tenacità del pezzo ed eliminare le tensioni interne all’acciaio causate dal trattamento stesso.

Tale procedimento consente di ottenere per la boccola una struttura metallurgica come da fig. 8 in cui alla superficie del diametro esterno ed interno si hanno due zone prevalentemente inartensitiche ed anche sulle teste; ci sono poi due zone di struttura intermedia di cui quella esterna è una struttura mista tra martensite e sorbite e quella interna, di spessore molto inferiore, risulta essere una zona con strutture intermedie quali ad esempio periite.ferrite ed altro.

A cuore si ha poi una zona sorbitica, che consente una tenacità pari a quella ottenibile con il processo noto di bonifica e tempra esterna ed interna.

Per quanto concerne la curva di durezza illustrata in fig.7 si rileva come si ottenga un profilo ottimale per la resistenza all'usura in quanto si ha una zona di durezza superiore ai 50 HRC che risulta piò spessa esternamente ed una zona meno spessa internamente con una durezza a cuore sufficientemente bassa.

Nella fig. 9 è illustrato un diagramma della usura riscontrabile su una boccola del tipo noto per le macchine con sigla PC 400 (vendute dalla Società Komatsu giapponese) assoggettato al procedimento noto di cementazione e tempra (curva A), al procediH mento di bonifica a cuore e tempra ad induzione esterna ed inter na (curva B) e con un procedimento oggetto della presente domanda (curva C).

La resistenza all'usura è stata verificata con dei test di usura in sabbia per verificare la durata nel tempo della boccola stessa; come si può notare dalla fig. 9, a parte una migliore resistenza iniziale delle boccole cementate dovute ad una durezza superficiale superiore delle boccole con trattamento di cementazione e tempra, successivamente queste si usurano rapidamente quando viene superato lo strato di 1,5÷3,5 mm.

Si è quindi verificata una durata superiore delle boccole, a seguito di una prova di usura sulla superficie esterna delle stesse, ottenute roti il procedimento oqgetto della presente domanda.

Si è cosi constatato come il trovato abbia raggiunto il compito e gii scopi prefissati essendosi conseguito un procedimento che permette di ottenere boccole con caratteristiche meccaniche superiori di gran lunga rispetto a quelle ottenibili con ia tecnica nota di cementazione e tempra.

Con il nuovo procedimento si può differenziare lo spessore dello strato con durezza superiore ai 50 HRCjfra la superficie esterna e la superficie interna ed inoltre si possono raggiungere spessori sulla superficie esterna molto superiori a quelli ottenibili con il procedimento di cementazione e tempra ottenendosi così una diversa durata della vita utile della boccola in caso di. usura.

La presenza dello strato sorbitico unito ad una durezza inferiore a cuore ottenibile con il nuovo tipo di trattamento consente una maggiore tenacità: si ha infatti una maggiore resistenza alle prove di fatica in quanto il processo di cementazione eleva il tenore di carbonio nell'acciaio (circa 0,8÷.l %) che favorisce cosi l'innesco di cricche e microcricche provocando la rottura precoce della boccola stessa.

La presenza dello strato sorbitico unito ad una durezza inferiore a cuore consente anche una maggiore elasticità del pezzo: da prove effettuate sempre su campioni standard di boccole del tipo PC 400 si è infatti rilevato come effettuando una prova di schiacciamento mediante un test in cui si comprimono tra d piani paralleli degli anelli di 30 mm di diametro ricavati dal boccole da esaminare, fino alla rottura dell'anello, si abbi per la boccola ottenuta con il procedimento oggetto della presen te- domanda, un limite di rottura superiore ed una freccia all rottura almeno uguale alle migliori caratteristiche delle boccol ottenute con i procedimenti di tipo noto.

Il nuovo procedimento inoltre risulta essere molto men costoso in quanto non viene effettuata la fase di cementazione cui prezzo di mercato si aggira oggi in circa 1000÷1500 L/kg.

Il nuovo procedimento, rispetto alla bonifica a cuore tempra ad induzione esterna ed interna di tipo noto, consent vantaggi di costo a parità di caratteristiche meccaniche otte bile in uguale misura con i due procedimenti in guanto non viene effettuata nel nuovo procedimento la fase bonifica a cuore il cuiprezzo di mercato si aggira sulle 600÷900 L/kg.;

Nella fig. 10 è illustrato il risultatto dei trattamento secondo il procedimento oggetto della presenta domanda effettuato su una boccola di caratteristiche simili a quelle del modell usato per i cingoli delle macchine Caterpillar D6D prodotta co acciaio del tipo SAE 1GB37 modificato; la curva! di durezza per il campione è stata valutata in tre sezioni differenti (a 1 mm dalle due teste ed in centro) .

I risultati della prova di schiacciamento, effettuata comprimendo tra due piani paralleli degli anelli di 30 mm di diametro ricavati da un campione n. 1, campione n.2 e campione n. 3 fino alla rottura dell ' anello, hanno portato ad evidenziare come nel campione n. 1 il valore di schiacciamento in tonnellate che porta alla rottura è di 27,3 nel campione n. 2 di 26,1 e nel cam pione n. 3 di 29,8.

La boccola cosi ottenuta presenta inoltre, in corrispondenza delle teste, una struttura metallurgica martensitica: questo sigmfica avere una maggiore resistenza in corrispondenza della zona di applicazione dei paraolio.

Naturalmente il trovato è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del medesimo concetto inventivo.

Cosi anche i materiali nonché le dimensioni dei singoli ponenti il trovato nonché i tempi, le temperature e gli spessori interessati dal procedimento potranno essere i più pertinenti , a seconda delle specifiche esigenze.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIÓNI· 1) Procedimento per il trattamento termico di boccole, particolarmente per veicoli cingolati e simili, che si caratterizza per il fatto di prevedere le seguenti fasi, anche in sequenze diverse: a) tempra esterna con un riscaldamento per circa i 7/10÷l0/10 dello spessore di detta boccola e raffreddamento con liquido temprante; b) tempra interna con un riscaldamento per circa i 4/10÷7/10 dello spessore di detta boccola e raffreddamento con liquido temprante; c) distensione di detta boccola, 2) Procedimento come alla rivendicazione 1 che si car rizza per il fatto che su detta boccola viene eseguita una fase in cui viene effettuata una tempra riscaldando, a pa dalla superficie esterna, per uno spessore circa pari ai 7/10÷10/10 della stessa ad una temperatura pari circa a 800÷900 °C e successivo raffreddamento con liquido temprante. 3) Procedimento come alle rivendicazioni 1 e 2 che si caratterizza per il fatto che su detta boccola viene eseguita una seconda fase di tempra mediante riscaldamento della superficie interna di detta boccola per una profondità pari circa a 4/10÷7/10 dello spessore della stessa a partire dalla superficie interna, detto riscaldamento avvenendo ad una temperatura che sulla superficie interna raggiunge circa gli 800÷900 °C, seguita da un raffreddamento con liquido temprante. 4) Procedimento come alle rivendicazioni 1 e 3 che si caratterizza per il fatto che su detta boccola viene eseguita una terza fase di distensione in cui si provvede a riscaldare, in un forno elettrico o a gas o altro, detta boccola ad una temperatura di circa 150÷20fl °Cr per un tempo che può variare da una a più ore a seconda delle dimensioni e tipo di trattamento effettuato. 5) Procedimento come alle rivendicazioni , 1 e 4 che si caratterizza per il fatto che consente l 'ottenimento di una boccola la cui struttura metallurgica finale é tale da definire alla superficie del diametro esterno ed interno ed anche sulle teste due zone prevalentemente martensitiche; inoltre definisce due zone intermedie di cui quella esterna è una struttura mista tra martensite e sorbite e quella interna , di spessore molto inferiore, risulta essere una zona con strutture intermedie quali ad esempio periate, ferrite ed altro, detta boccola presentando cuore una zona sorbi fica ad elevata tenacità. 6) Procedimento come alle rivendicazioni 1 e 5 che si caratterizza per il fatto che consente l ’ottenimento di una boccola la cui curva di durezza presenta una zona di durezza superiore a i 50 HRC che risulta più spessa esternamente ed lina zona meno spessa internamente con una durezza a cuore inferiore ai valori ottenibili con i processi di tipo cementazione e tempra. Ί ) Procedimento come ad una o più delle rivendicazioni precedenti che si caratterizza per il fatto che consente l 'ottenimento di una boccola che presenta , in corrispondenza delle teste, una struttura metallurgica martensitica . 8) Procedimento come alle rivendicazioni 1 e 5 che si caratterizza per il fatto che consente l ' ottenimento di una boccola la cui curva di durezza presenta una zona di durezza superiore ai 50 HRC che interessa, per uno spessore circa uguale, sia la zona interna che quella esterna con una durezza a jcuore inferiore ai valori ottenibili con i processi di tipo cementazione e tempra . 9) Procedimento come alle rivendicazioni (1 e 5 che si caratterizza per il fatto che consente l 'ottenimento di una boccola la cui curva di durezza presenta una zona di durezza superiore ai 50 HRC che risulta meno spessa esternamente ed ! una zona più spessa internamente con una durezza a cuore inferióre ai valori otte nibili con i processi di tipo cementazione e tempra . 10} Procedimento e boccola come ad una o :più delle rivendi cazioni precedenti che si caratterizzano per quanto descritto 'ed illustrato nelle allegate tavole di disegni