Modellazione FEA della ricottura delle filettature mediante riscaldamento a induzione

Tra le fasi di lavorazione importanti successive alla tempra di un pezzo in acciaio figurano il rinvenimento, l’eliminazione delle tensioni e la ricottura subcritica. La trasformazione in martensite mediante tempra crea una struttura molto dura con bassa duttilità. La martensite non rinvenuta conserva un elevato livello di tensioni residue ed è in genere troppo fragile per molte applicazioni commerciali, ad eccezione dei componenti che richiedono principalmente resistenza all’usura. Il riscaldamento degli acciai e delle ghise appena temprati per il rinvenimento produce una microstruttura di martensite rinvenuta. Le temperature di rinvenimento sono inferiori alla temperatura di trasformazione inferiore A1 (di solito comprese tra 120 e 650 °C, ovvero tra 250 e 1200 °F) e comprendono quattro fasi di rinvenimento sovrapposte.
Il rinvenimento localizzato delle filettature mediante riscaldamento a induzione consente di concentrare l’energia termica nelle aree in cui è richiesta una maggiore duttilità. Lo sviluppo di un processo di questo tipo presenta diverse sfide:
• L’area filettata dell’albero deve essere riscaldata appena al di sotto della temperatura critica A1 per ammorbidirla adeguatamente, assicurandosi al contempo che la temperatura delle aree adiacenti (comprese le spalle e le variazioni di diametro) non subisca una ri-austenitizzazione.
• Le condizioni termiche e la ricetta di processo devono essere selezionate in modo da evitare o ridurre la possibilità che si verifichino fenomeni metallurgici indesiderati quali l’infragilimento da martensite temperata e l’infragilimento da tempra.
• Non si deve superare una lunghezza specifica della zona di transizione “temperata-non temperata”.
• Il processo deve essere affidabile e ripetibile.
La modellazione numerica al computer aiuta non solo a determinare la configurazione ottimale della bobina e la ricetta di processo, ma anche a valutare la robustezza di un particolare processo di tempra, stimando l’impatto delle deviazioni di processo reali, quali le tolleranze dimensionali, l’integrità dei dispositivi di fissaggio e il posizionamento del pezzo rispetto all’induttore.
A titolo illustrativo, le figure sottostanti mostrano la dinamica della distribuzione del campo elettromagnetico (in alto) e la variazione di temperatura durante il tempra a induzione di un’area filettata utilizzando un inserto induttore ottimizzato a due spire (induttore con secondario accoppiato elettromagneticamente). Questo tipo di induttore è stato selezionato in base alle specifiche di sintonizzazione del carico dell’inverter disponibile utilizzato dal cliente.

Ulteriori approfondimenti
• V. Rudnev, D. Loveless, et al., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, New York, 2003.