Quando si parla di trattamento termico, di solito si inizia con la temperatura che deve raggiungere un forno per trasformare le parti metalliche. Ma spesso è il processo di tempra (o raffreddamento) a determinare in larga misura i risultati finali.
Che cos'è il quenching?
La tempra è il processo di raffreddamento delle parti metalliche dopo aver raggiunto e mantenuto una temperatura specifica durante il trattamento termico. Il metodo e la velocità di tempra determinano tipicamente la categoria di un processo di trattamento termico. I processi più comuni di trattamento termico sono la ricottura, la normalizzazione, la tempra, il rinvenimento e la tempra superficiale. Ogni processo crea una qualità che avrà usi diversi o farà parte di un processo diverso per la realizzazione di un prodotto finale in più fasi.
Un tempo di tempra più lento, come nel caso della ricottura o della normalizzazione, può dare origine a parti metalliche elastiche, pieghevoli o che possono essere estruse in fili. D'altro canto, un processo di raffreddamento più rapido può dare origine a pezzi induriti superficialmente o passanti, necessari per la produzione di qualsiasi cosa, dai bulloni alle punte da trapano agli alberi a camme. Il rinvenimento di un pezzo temprato, che consiste nel riscaldare il metallo a temperature leggermente inferiori con un tempo di raffreddamento più lento, può contribuire a rilassare alcune delle tensioni interne del metallo e ad aumentare la resistenza, generando un materiale meno fragile e altamente duttile.
Spesso un singolo pezzo può essere sottoposto a più operazioni di trattamento termico. È utile pensare a un processo di trattamento termico in più fasi: Immaginate di prendere un disco di metallo flessibile e di incidervi dei denti per dargli il profilo di un ingranaggio, quindi di temprarlo in un forno ad alta temperatura, di rettificarlo per ottenere le tolleranze richieste e infine di temprarlo per aggiungere duttilità. La qualità del metallo cambia durante ogni processo per facilitare la lavorazione, definire un bordo con precisione millimetrica o garantire la longevità del pezzo finito.
Ogni processo e il corrispondente prodotto finale svolgono un ruolo importante nella produzione odierna. Di conseguenza, Ipsen ha continuato a trovare il modo di offrire ai suoi clienti più opzioni e un migliore controllo del processo di tempra.
È una storia interessante
Nel 1978, quando Craig Moller, ingegnere capo di Ipsen USA, ha iniziato a lavorare in Ipsen, i forni a vuoto erano in grado di gestire una soluzione di raffreddamento a gas a pressione positiva fino a dieci psi utilizzando motori da 40 cavalli. È più o meno l'equivalente di un'immersione in una piscina di tre metri o della pressione dell'aria all'interno di un pneumatico d'auto molto sgonfio. "All'epoca si trattava di una tecnologia all'avanguardia", ha ricordato Moller.
Oggi, Ipsen ha prodotto forni con motori di raffreddamento da 600 CV che forniscono una pressione di tempra fino a 15 bar. Si tratta di una pressione circa dieci volte superiore a quella delle macchine di 45 anni fa.
La pressione dei gas è importante per la termodinamica. Più un materiale è denso, sia esso solido, liquido o gassoso, più facilmente il calore si trasferisce da una sostanza all'altra. È per questo che una tazza termica isolata sottovuoto può mantenere le bevande calde calde e le bevande fredde fredde più a lungo di un bicchiere di plastica: il vuoto riduce al minimo il trasferimento di calore.
Moller ha spiegato perché la pressione di tempra è un aspetto così importante dell'innovazione nel corso degli anni: "Quando si triplica la pressione del gas, si raddoppia la velocità di raffreddamento di un sistema di tempra e dei pezzi che vengono temprati".
E quando si tratta di temprare metalli specifici utilizzati per produrre stampi, un sistema di tempra rapido e pulito è essenziale. Ad esempio, "quando i clienti cercano matrici per l'estrusione dell'alluminio per produrre parti utilizzate in un veicolo elettrico, questi forni sottovuoto ad alta pressione forniscono matrici pulite e indurite in superficie per una maggiore durata della matrice", ha spiegato Moller. Queste matrici pulite possono garantire un alto livello di precisione nei pezzi estrusi".
Giocare d'astuzia
Per un certo periodo, la corsa alla creazione di un processo di tempra più rapido è stata tutta incentrata sulla pressione: più pressione significava pezzi più freddi e più veloci. All'inizio, il 90% delle innovazioni nel campo dei trattamenti termici si concentrava sul processo di riscaldamento. Alla fine, la necessità di ridurre gli scarti dei pezzi dovuti a cricche e distorsioni termiche ha richiesto soluzioni migliori per il processo di tempra. "È stato un grande cambiamento", spiega Jim Grann, direttore tecnico di Ipsen. "In questo momento, l'equilibrio è più vicino al 50/50 quando si tratta di sviluppare tecnologie di riscaldamento e di tempra".
Grann partecipa al processo di innovazione dal 1978, quando lavorò per Abar prima della fusione con Ipsen. "L'innovazione nel campo della tempra è dovuta alla necessità di creare un raffreddamento il più rapido possibile, pur garantendo la controllabilità del processo. Una velocità di raffreddamento incontrollata può aggiungere stress intrinseco ai pezzi. La chiave è un raffreddamento più rapido senza distorsioni".
I controlli PLC di oggi possono reagire in tempo reale per apportare modifiche a una ricetta a metà processo se le termocoppie rilevano una reazione anomala durante l'estinzione. "Ad esempio, una ricetta può indicare che la temperatura interna e la temperatura superficiale di un pezzo non possono avere più di una specifica differenza di temperatura. Il PLC può monitorare le temperature e rallentare il quench riducendo la pressione, la circolazione del gas o persino riscaldando il forno. I pezzi si riscaldano prima all'esterno, ma si raffreddano anche prima dall'esterno, quindi il forno può reagire di conseguenza", ha spiegato Grann.
Le diverse linee di forni sottovuoto Ipsen, combinate con i moderni sistemi PLC, offrono agli utenti finali un controllo del processo più ampio che mai. Le linee TITAN, MetalMaster e TurboTreater offrono un'ampia gamma di capacità di tempra, grazie a un design di flusso a 360 gradi che può servire decine di processi di trattamento termico diversi. Linee speciali come Turbo²Treater e VUTK possono essere progettate per risolvere ricette specifiche e ripetute frequentemente che richiedono un controllo significativo del flusso del gas di tempra, fornendo un raffreddamento direzionale del gas da qualsiasi angolo della camera.
"A volte un flusso di gas in una sola direzione ha senso. Si pensi all'estinzione di un lungo tubo. Se il gas entra contemporaneamente da entrambe le estremità, si incontra al centro e crea una zona morta statica. Alternando il flusso di gas da un'estremità e poi dall'altra, si riducono al minimo i differenziali di temperatura", spiega Grann.
Le opzioni di gas di tempra direzionali, i controlli di pressione variabili e il monitoraggio attivo della temperatura possono consentire agli operatori di garantire che i pezzi con geometrie semplici o complesse abbiano lo stesso tasso di successo. "Se ci dite cosa volete fare, che materiale state usando, quanti pezzi volete lavorare nell'arco di un giorno, una settimana o un mese, diteci cosa volete ottenere e noi troveremo una soluzione".
Con una gamma di modelli di forni e di opzioni di controllo PLC, Grann è certo che Ipsen possa progettare un forno per qualsiasi processo. "Ci sono ancora tassi di tempra che non possiamo raggiungere per lo stesso motivo per cui la mia Toyota 4Runner non può andare a 240 miglia all'ora... non possiamo sconfiggere la fisica", ha detto Grann.
Le innovazioni che si sono rivelate efficaci, come quelle di cui Moller e Grann sono stati testimoni nel corso della loro carriera, sono nate soprattutto grazie alla capacità di soddisfare le richieste dei clienti in un mercato in continua evoluzione.
Se avete un problema di tempra unico che richiede una soluzione personalizzata, contattateci a sales@ipsenusa.com o chiamando il numero 800-727-7625.