Processo di tempra della catena a rulli: un componente fondamentale che determina l'affidabilità della trasmissione

Processo di tempra della catena a rulli: un componente fondamentale che determina l'affidabilità della trasmissione

Nel settore della trasmissione industriale,catene a rulliLe catene a rulli sono componenti chiave per la trasmissione di potenza e movimento e le loro prestazioni influiscono direttamente sull'efficienza operativa e sulla sicurezza dell'intero macchinario. Dalle trasmissioni per impieghi gravosi nei macchinari minerari alla guida precisa di macchine utensili di precisione, dalle operazioni sul campo nei macchinari agricoli alla trasmissione di potenza nei motori delle automobili, le catene a rulli svolgono costantemente il ruolo di "ponte di potenza". Nella produzione delle catene a rulli, la tempra, una fase fondamentale del processo di trattamento termico, è come il passaggio cruciale che "trasforma la pietra in oro", determinando direttamente la resistenza, la tenacità, la resistenza all'usura e la durata della catena.

1. Perché la tempra è un “corso obbligatorio” nella produzione di catene a rulli?

Prima di discutere del processo di tempra, è necessario chiarire: perché la tempra delle catene a rulli è essenziale? Questa inizia con la lavorazione dei componenti principali della catena: rulli, boccole, perni e piastre di collegamento. Dopo la formatura, i componenti chiave delle catene a rulli vengono in genere sottoposti a un processo di tempra: il pezzo viene riscaldato oltre la temperatura critica (tipicamente 820-860 °C), mantenuto a tale temperatura per un certo periodo di tempo e quindi raffreddato rapidamente (ad esempio, in acqua o olio) per trasformare la struttura interna del metallo in martensite. Sebbene la tempra aumenti significativamente la durezza del pezzo (raggiungendo 58-62 HRC), presenta anche un inconveniente critico: tensioni interne estremamente elevate e fragilità, che lo rendono suscettibile a fratture in caso di urti o vibrazioni. Immaginate di utilizzare una catena a rulli temprata direttamente per la trasmissione. Guasti come la rottura dei perni e la criccatura dei rulli potrebbero verificarsi durante il carico iniziale, con conseguenze disastrose.

Il processo di rinvenimento risolve il problema della "durezza ma fragilità" dopo la tempra. Il pezzo temprato viene riscaldato a una temperatura inferiore a quella critica (tipicamente 150-350 °C), mantenuto a tale temperatura per un certo periodo di tempo e quindi raffreddato lentamente. Questo processo regola la struttura interna del metallo per raggiungere l'equilibrio ottimale tra durezza e tenacità. Per le catene a rulli, il rinvenimento svolge un ruolo chiave in tre aree chiave:

Allevia le sollecitazioni interne: rilascia le sollecitazioni strutturali e termiche generate durante la tempra, prevenendo deformazioni e crepe nel pezzo in lavorazione dovute alla concentrazione delle sollecitazioni durante l'uso;

Ottimizzare le proprietà meccaniche: regolare il rapporto tra durezza, resistenza e tenacità in base ai requisiti dell'applicazione, ad esempio le catene per macchinari edili richiedono una maggiore tenacità, mentre le catene di trasmissione di precisione richiedono una maggiore durezza;

Stabilizzare la microstruttura e le dimensioni: stabilizzare la microstruttura interna del metallo per evitare deformazioni dimensionali della catena causate da cambiamenti della microstruttura durante l'uso, che potrebbero influire sulla precisione della trasmissione.

II. Parametri fondamentali e punti di controllo del processo di tempra della catena a rulli

L'efficacia del processo di tempra dipende dal controllo preciso di tre parametri fondamentali: temperatura, tempo e velocità di raffreddamento. Diverse combinazioni di parametri possono produrre risultati prestazionali significativamente diversi. Il processo di tempra deve essere adattato ai diversi componenti della catena a rulli (rulli, boccole, perni e piastre) a causa delle loro diverse caratteristiche di carico e dei requisiti prestazionali.

1. Temperatura di rinvenimento: la “manopola centrale” per il controllo delle prestazioni
La temperatura di rinvenimento è il fattore più critico nel determinare le prestazioni finali di un pezzo. All'aumentare della temperatura, la durezza del pezzo diminuisce e la sua tenacità aumenta. A seconda dell'applicazione della catena a rulli, le temperature di rinvenimento sono generalmente classificate come segue:
Rinvenimento a bassa temperatura (150-250 °C): utilizzato principalmente per componenti che richiedono elevata durezza e resistenza all'usura, come rulli e boccole. Il rinvenimento a bassa temperatura mantiene una durezza del pezzo di 55-60 HRC eliminando al contempo alcune sollecitazioni interne, rendendolo adatto ad applicazioni di trasmissione ad alta frequenza e basso impatto (come gli azionamenti dei mandrini delle macchine utensili).
Rinvenimento a media temperatura (300-450 °C): adatto per componenti che richiedono elevata resistenza ed elasticità, come perni e piastre per catene. Dopo il rinvenimento a media temperatura, la durezza del pezzo scende a 35-45 HRC, migliorando significativamente il limite di snervamento e di elasticità, consentendogli di resistere a carichi d'urto elevati (ad esempio, in macchinari edili e attrezzature per l'industria mineraria).
Rinvenimento ad alta temperatura (500-650 °C): raramente utilizzato per i componenti principali delle catene a rulli, viene impiegato solo in applicazioni specializzate per componenti ausiliari che richiedono elevata tenacità. A questa temperatura, la durezza si riduce ulteriormente (HRC 25-35), ma la resilienza migliora significativamente.
Punti di controllo chiave: l'uniformità della temperatura all'interno del forno di rinvenimento è fondamentale, con differenze di temperatura controllate entro ±5 °C. Temperature non uniformi possono portare a variazioni significative delle prestazioni all'interno dello stesso lotto di pezzi. Ad esempio, temperature localizzate eccessivamente elevate sui rulli possono creare "punti deboli", riducendo la resistenza all'usura. Temperature eccessivamente basse possono eliminare in modo incompleto le tensioni interne, causando cricche.

2. Tempo di rinvenimento: una “condizione sufficiente” per la trasformazione microstrutturale
Il tempo di rinvenimento deve garantire una sufficiente trasformazione microstrutturale all'interno del pezzo, evitando al contempo il degrado delle prestazioni causato da un surriscaldamento. Un tempo troppo breve impedisce il completo rilascio delle tensioni interne, con conseguente trasformazione microstrutturale incompleta e tenacità insufficiente. Un tempo troppo lungo aumenta i costi di produzione e può anche portare a un'eccessiva riduzione della durezza. Il tempo di rinvenimento per i componenti delle catene a rulli è generalmente determinato dallo spessore del pezzo e dal carico del forno:
Componenti a parete sottile (come piastre di catena, spesse 3-8 mm): il tempo di rinvenimento è generalmente di 1-2 ore;
Componenti a parete spessa (come rulli e perni, diametro 10-30 mm): il tempo di rinvenimento deve essere esteso a 2-4 ore;
Per carichi di forno più grandi, il tempo di rinvenimento deve essere aumentato del 10%-20% per garantire un trasferimento uniforme del calore al nucleo del pezzo.
Punti di controllo chiave: l'utilizzo di un metodo di "rampa di temperatura a gradini" può ottimizzare l'efficienza della tempra: prima aumentare la temperatura del forno all'80% della temperatura desiderata, mantenere questa temperatura per 30 minuti e poi aumentarla fino alla temperatura desiderata per evitare nuove sollecitazioni termiche nel pezzo dovute a rapidi aumenti di temperatura.

3. Velocità di raffreddamento: l'"ultima linea di difesa" per prestazioni stabili
La velocità di raffreddamento dopo la tempra ha un impatto relativamente limitato sulle prestazioni del pezzo, ma deve comunque essere adeguatamente controllata. In genere si utilizza il raffreddamento ad aria (raffreddamento naturale) o il raffreddamento in forno (raffreddamento in forno):

Dopo la tempra a bassa temperatura, si ricorre generalmente al raffreddamento ad aria per ridurre rapidamente la temperatura a quella ambiente ed evitare un'esposizione prolungata a temperature medie, che può portare alla perdita di durezza.

Se è richiesta una maggiore tenacità dopo il rinvenimento a media temperatura, è possibile utilizzare il raffreddamento in forno. Il processo di raffreddamento lento affina ulteriormente la granulometria e migliora la resistenza all'impatto.

Punti di controllo chiave: durante il processo di raffreddamento, è importante evitare un contatto non uniforme tra la superficie del pezzo e l'aria, che può portare a ossidazione o decarburazione. È possibile introdurre gas protettivi come l'azoto nel forno di rinvenimento, oppure applicare rivestimenti antiossidanti alla superficie del pezzo per garantirne la qualità superficiale.

III. Problemi comuni di tempra delle catene a rulli e soluzioni

Anche se i parametri fondamentali sono ben compresi, possono comunque verificarsi problemi di qualità durante la tempra a causa di fattori quali l'attrezzatura, il funzionamento o i materiali. Di seguito sono riportati i quattro problemi più comuni riscontrati durante la tempra delle catene a rulli e le relative soluzioni:

1. Durezza insufficiente o irregolare

Sintomi: la durezza del pezzo è inferiore ai requisiti di progettazione (ad esempio, la durezza del rullo non raggiunge HRC 55) oppure la differenza di durezza tra le diverse parti dello stesso pezzo supera HRC 3. Cause:
La temperatura di rinvenimento è troppo alta o il tempo di mantenimento è troppo lungo;
La distribuzione della temperatura nel forno di rinvenimento non è uniforme;
La velocità di raffreddamento del pezzo dopo la tempra è insufficiente, con conseguente formazione incompleta di martensite.
Soluzioni:
Calibrare la termocoppia del forno di tempra, monitorare regolarmente la distribuzione della temperatura all'interno del forno e sostituire i tubi di riscaldamento invecchiati;
Controllare rigorosamente la temperatura e il tempo in base alla scheda di processo e utilizzare un mantenimento a fasi;
Ottimizzare il processo di tempra e raffreddamento per garantire un raffreddamento rapido e uniforme del pezzo.

2. Lo stress interno non viene eliminato, causando crepe durante l'uso
Sintomi: Durante l'installazione e l'uso iniziale della catena, il perno o la piastra della catena potrebbero rompersi senza preavviso, provocando una frattura fragile.
Cause:
La temperatura di rinvenimento è troppo bassa o il tempo di mantenimento è troppo breve, con conseguente rilascio inadeguato delle tensioni interne;
Il pezzo non viene temprato temprando tempra per più di 24 ore, con conseguente accumulo di stress interno. Soluzione:
Aumentare opportunamente la temperatura di rinvenimento in base allo spessore del pezzo (ad esempio, da 300°C a 320°C per i perni) e prolungare il tempo di mantenimento.
Dopo la tempra, il pezzo deve essere rinvenuto entro 4 ore per evitare un accumulo prolungato di sollecitazioni.
Utilizzare un processo di "tempra secondaria" per i componenti chiave (dopo la tempra iniziale, raffreddare a temperatura ambiente e poi temprare nuovamente a temperature elevate) per eliminare ulteriormente lo stress residuo.

3. Ossidazione superficiale e decarburazione

Sintomi: sulla superficie del pezzo in lavorazione appare una crosta di ossido grigio-nera oppure un durometro indica che la durezza superficiale è inferiore alla durezza del nucleo (lo strato di decarburazione è spesso più di 0,1 mm).
Causa:
Un contenuto eccessivo di aria nel forno di rinvenimento provoca una reazione tra il pezzo in lavorazione e l'ossigeno.
Un tempo di rinvenimento eccessivo causa la diffusione e la dissipazione del carbonio dalla superficie. Soluzione: utilizzare un forno di rinvenimento sigillato con atmosfera protettiva di azoto o idrogeno per mantenere il contenuto di ossigeno nel forno al di sotto dello 0,5%. Ridurre i tempi di rinvenimento non necessari e ottimizzare il metodo di caricamento del forno per evitare un eccessivo riempimento dei pezzi. Per i pezzi leggermente ossidati, eseguire una granigliatura dopo il rinvenimento per rimuovere le scaglie superficiali.

4. Deformazione dimensionale

Sintomi: Ovalizzazione eccessiva del rullo (superiore a 0,05 mm) o fori della piastra della catena disallineati.

Causa: velocità di riscaldamento o raffreddamento eccessivamente rapide generano stress termico che porta alla deformazione.

Un posizionamento non corretto dei pezzi durante il caricamento del forno provoca una sollecitazione non uniforme.

Soluzione: utilizzare un riscaldamento lento (50°C/ora) e un raffreddamento lento per ridurre lo stress termico.

Progettare attrezzature specializzate per garantire che il pezzo rimanga libero durante la tempra, evitando così deformazioni da compressione.

Per i pezzi ad alta precisione, aggiungere una fase di raddrizzamento dopo la tempra, utilizzando il raddrizzamento a pressione o il trattamento termico per correggere le dimensioni.

IV. Criteri di accettazione e ispezione della qualità del processo di tempra

Per garantire che i componenti della catena a rulli soddisfino i requisiti prestazionali dopo la tempra, è necessario istituire un sistema completo di controllo qualità, che esegua ispezioni approfondite su quattro dimensioni: aspetto, durezza, proprietà meccaniche e microstruttura.

1. Ispezione dell'aspetto

Contenuto dell'ispezione: difetti superficiali quali incrostazioni, crepe e ammaccature.

Metodo di ispezione: ispezione visiva o ispezione con lente di ingrandimento (ingrandimento 10x).

Criteri di accettazione: nessuna scaglia, crepa o sbavatura visibile sulla superficie e colore uniforme.

2. Ispezione della durezza

Contenuto dell'ispezione: Durezza superficiale e uniformità della durezza.

Metodo di ispezione: utilizzare un durometro Rockwell (HRC) per testare la durezza superficiale di rulli e perni. Il 5% dei pezzi di ogni lotto viene campionato casualmente e vengono ispezionati tre punti diversi di ogni pezzo.

Criteri di accettazione:

Rulli e boccole: HRC 55-60, con una differenza di durezza ≤ HRC3 all'interno dello stesso lotto.

Perno e piastra della catena: HRC 35-45, con una differenza di durezza ≤ HRC2 all'interno dello stesso lotto. 3. Test delle proprietà meccaniche

Contenuto del test: Resistenza alla trazione, tenacità all'impatto;

Metodo di prova: i campioni standard vengono preparati da un lotto di pezzi lavorati ogni trimestre per la prova di trazione (GB/T 228.1) e la prova di impatto (GB/T 229);

Criteri di accettazione:

Resistenza alla trazione: Perni ≥ 800 MPa, Catene ≥ 600 MPa;

Resistenza all'impatto: Perni ≥ 30 J/cm², Catene ≥ 25 J/cm².

4. Test della microstruttura

Contenuto del test: la struttura interna è costituita da martensite temprata uniforme e bainite temprata;

Metodo di prova: le sezioni trasversali del pezzo in lavorazione vengono tagliate, lucidate e incise, quindi osservate utilizzando un microscopio metallografico (ingrandimento 400x);

Criteri di accettazione: struttura uniforme senza carburi reticolari o grani grossolani e spessore dello strato decarburato ≤ 0,05 mm.

V. Tendenze del settore: la direzione di sviluppo dei processi di tempra intelligenti

Con l'adozione diffusa delle tecnologie dell'Industria 4.0, i processi di tempra delle catene a rulli si stanno evolvendo verso processi intelligenti, precisi ed ecosostenibili. Di seguito sono riportate tre tendenze chiave degne di nota:

1. Sistema di controllo intelligente della temperatura

Utilizzando la tecnologia Internet of Things (IoT), più set di termocoppie ad alta precisione e sensori di temperatura a infrarossi vengono posizionati all'interno del forno di rinvenimento per raccogliere dati di temperatura in tempo reale. Utilizzando algoritmi di intelligenza artificiale, la potenza di riscaldamento viene regolata automaticamente per ottenere una precisione di controllo della temperatura entro ±2 °C. Inoltre, il sistema registra la curva di rinvenimento per ogni lotto di pezzi, creando un registro di qualità tracciabile.

2. Simulazione del processo digitale

Utilizzando un software di analisi agli elementi finiti (come ANSYS), vengono simulati i campi di temperatura e sollecitazione del pezzo durante il rinvenimento per prevedere potenziali deformazioni e prestazioni non uniformi, ottimizzando così i parametri di processo. Ad esempio, la simulazione può determinare il tempo di rinvenimento ottimale per uno specifico modello di rullo, aumentando l'efficienza del 30% rispetto ai tradizionali metodi per tentativi ed errori.
3. Processi ecologici e di risparmio energetico

Lo sviluppo di una tecnologia di rinvenimento a bassa temperatura e in tempi brevi riduce la temperatura di rinvenimento e il consumo energetico grazie all'aggiunta di un catalizzatore. L'implementazione di un sistema di recupero del calore di scarto per riciclare il calore dai fumi ad alta temperatura scaricati dal forno di rinvenimento per il preriscaldamento dei pezzi, con un risparmio energetico di oltre il 20%. Inoltre, la promozione dell'uso di rivestimenti antiossidanti idrosolubili come alternativa ai tradizionali rivestimenti a base di olio riduce le emissioni di COV.