Tempra a induzione di alberi: tempra superficiale di 1045 e 4140

Come funziona

Una bobina induttrice percorsa da corrente alternata ad alta frequenza circonda l'albero. La corrente induce correnti parassite nella superficie dell'acciaio, riscaldando una sottile pelle al di sopra della temperatura di trasformazione in pochi secondi; una tempra immediata mediante spruzzo di acqua o polimero converte tale pelle in martensite dura. La massa dell'albero non si riscalda mai, quindi mantiene le sue proprietà originali — spesso pretemprate e rinvenute.

La frequenza determina la profondità dello strato

La corrente indotta si concentra vicino alla superficie e la profondità riscaldata diminuisce all'aumentare della frequenza. Questa è la relazione progettuale centrale del processo:

• Basse frequenze (pochi kHz, macchine a media frequenza): strati profondi, approssimativamente nella classe 2–6 mm, per alberi grandi e perni pesanti.
• Alte frequenze (centinaia di kHz): strati sottili, da frazioni di millimetro a circa 1.5 mm, per pezzi piccoli ed elementi fini.

In pratica la profondità dello strato è specificata rispetto a un limite di durezza (come nella cementazione, spesso 550 HV) e la macchina, la frequenza e il tempo di riscaldamento vengono selezionati per raggiungerla con una zona di transizione che non emerga in superficie tenera e non temprata in alcun punto del profilo.

Gli acciai

Vengono specificati acciai a medio carbonio perché la durezza da tempra deriva dal carbonio:

• 1045 / C45 — lo standard economico; durezza superficiale tipicamente nella fascia medio-50 HRC, cuore lasciato laminato o normalizzato.
• 4140 / 42CrMo4 — utilizzato pretemprato e rinvenuto quando il cuore deve sostenere carichi reali; lo strato a induzione aggiunge resistenza all'usura e alla fatica su un substrato resistente e il suo contenuto di lega amplia la finestra di processo.

Un tenore di carbonio inferiore a circa 0.35% offre una durezza superficiale deludente; valori molto superiori a 0.6% aumentano il rischio di cricche da tempra.

Profili e zone tenere

Un induttore a scansione tempra una banda mentre si sposta lungo l'albero, lasciando una zona di uscita dove la scansione inizia e termina e le bande temprate su alberi complessi sono separate da zone tenere — in corrispondenza di spallamenti, sottosquadri e tra elementi adiacenti — perché la bobina non può riscaldare uniformemente uno spigolo interno vivo e scansioni sovrapposte rinvenirebbero la banda precedente. Una buona progettazione tratta questi aspetti come fatti, non come difetti:

• Mantenere le superfici di contatto di tenute e cuscinetti all'interno del profilo temprato, lontano dalle zone di uscita.
• Collocare le zone tenere dove la sollecitazione di flessione e l'usura sono basse.
• Prestare attenzione agli elementi sensibili alle cricche — sedi per chiavette, fori trasversali e raccordi vivi all'interno della zona riscaldata richiedono smussi e prove di processo.

Perché sceglierlo

Rispetto alla cementazione, la tempra a induzione è rapida, locale, facilmente automatizzabile in linea e si applica dopo la maggior parte delle lavorazioni. Scambia lo strato profondo e gradualmente graduato della cementazione con velocità e selettività — sugli alberi, questo è solitamente il compromesso giusto.

Lo strato temprato presenta anche tensioni residue di compressione, perché lo strato di martensite espanso è vincolato dal cuore inalterato. Tale compressione è in gran parte il motivo per cui perni e raccordi temprati a induzione mostrano una vita a fatica flessionale e torsionale nettamente migliore rispetto agli equivalenti temprati a cuore o non trattati — a condizione che il profilo temprato copra effettivamente la concentrazione di tensioni, il che è una decisione progettuale, non un caso di processo.