UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO

 

Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

 

 

SHOT PEENING

LA “PALLINATURA CONTROLLATA”

 E LE SUE APPLICAZIONI NEL CICLISMO

 

 

Metallurgia dei Metalli non Ferrosi

Anno Accademico 2004 – 2005

 

 

 

 

Docente: prof. Diego Colombo                   STUDENTE: Simone Francesco

 

 

 

 

 

 

 

 

INDICE 

                                                                                                   

INTRODUZIONE

                                                                               

La  fatica                                                                                           

Meccanismo di enucleazione e propagazione del difetto       

        

Lo shot peening: ”pallinatura controllata”

Il processo                                                                            

Benefici ottenibili                                                                 

Macchine per pallinare                                                         

Parametri  per pallinare

Copertura                                                          

Intensità di pallinatura                                                         

Pallini o shot

Il controllo del pallino

Angolo d’impatto

Rugosità superficiale

Geometria delle impronte lasciate dagli shot

Relazione tra la profondità di compressione e l’intensità di pallinatura

Introduzione delle tensioni residue di compressione

Pallinatura water-jet: un applicazione innovativa nel trattamento  delle superfici

 

Applicazioni

Quali pezzi pallinare?

Lo shot peening nel mondo del ciclismo

 

Allegato: le leghe di alluminio più diffuse nel ciclismo

 

Links e Bibliografia


 

INTRODUZIONE

 

 

Le conoscenze sulle rotture per fatica di particolari meccanici in materiale metallico sono relativamente recenti. Questi cedimenti avvengono normalmente per carichi modesti, inferiori allo snervamento del materiale, dopo un periodo d’uso di molti cicli. Le rotture per fatica generalmente si innescano sulla superficie nei punti di tensione massima di trazione. Trattamenti ter­mici e lavorazioni meccaniche come l’asportazione di trucio­lo, la saldatura e la rettifica possono indurre tensioni di trazione che si sommano alle tensioni di servizio. Una volta innescata, la cricca si propaga fino alla rottura, in genere di tipo fragile. Lo shot peening è un processo di lavorazione a freddo che consiste nel colpire la superficie di un particolare in materiale metallico con un getto perfettamente controllato di microsfere proiettate ad alta velocità. L’impatto causa la plasticizzazione degli strati superficiali inducendo, per equilibrio, tensioni residue di compressione. Le tensioni residue di compressione introdotte dallo shot peening esercitano un'azione benefica sulla durata del particola­re rallentando o impedendo la formazione di cricche.

Il “mercato dello sport” é decisamente vivace: chiede sempre migliori performance sia in termini di prestazioni, che in termini di estetica, e riveste un’importanza fondamentale per l’economia mondiale.

Ogni componente, strutturale o meccanico che sia, deve essere progettato e soprattutto lavorato solo da strutture compententi e sottoposto a severi controlli di qualità. In questo settore ogni componente meccanico è altamente sollecitato agli effetti raggruppati nel termine “fatica”. Impiegare il trattamento di shot peening è praticamente indispensabile. Non sarebbe altrimenti possibile raggiungere nè l’affidabilità nè le attuali prestazioni.

Il ciclismo è un settore dove l’utilizzo di questa tecnica è relativamente innovativo; sono stati analizzati vari componenti di una bici da corsa che vengono generalmente trattati con lo shot peening.  

 

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La fatica

 

 

Meccanismo di enucleazione e propagazione del difetto

 

Un componente meccanico, durante il suo funzionamento, è normalmente soggetto a molteplici sollecitazioni variabili con il tempo. L'insieme di queste sollecitazioni vengono riassunte con il termine "fatica". Per fatica si intendono tutte quelle sollecitazioni variabili con il tempo a cui un componente meccanico è soggetto durante il funzionamento. Con fatica quindi si raggruppano in un unico termine fenomeni come la fatica meccanica, quella termica, il pitting, il fretting, lo scoring ecc. Il fenomeno che tende ad accomunare le rotture per fatica è l'entità del carico che normalmente risulta essere decisamente inferiore allo snervamento del materiale. Le rotture per fatica infatti avvengono per carichi modesti dopo un periodo di uso, generalmente, di molti cicli.

Come ormai noto, il meccanismo della rottura per fatica di un componente meccanico in materiale metallico prende vita dagli inevitabili difetti come vacanze, dislocazioni o fessurazioni del materiale di cui esso è costituito. I materiali metallici sono generalmente policristallini e cioè sono costituiti da un elevato numero di cristalli o grani, ciascuno con proprie caratteristiche e proprietà meccaniche individuali. I difetti del materiale alterano le originarie proprietà del cristallo e aumentano soprattutto la possibilità di scorrimento reciproco dei piani atomici. Secondo fonti autorevoli come il Fuchs, i primi scorrimenti avvengono in quei grani che hanno i piani reticolari orientati secondo la direzione della massima tensione tangenziale applicata. In un secondo tempo si verificano gli scorrimenti più difficoltosi e cosi via.

Gli scorrimenti, che avvengono sia sotto carichi statici sia sotto carichi ciclici, producono una progressiva alterazione della superficie dando vita a delle vere e proprie bande di intrusione ed estrusione come viene rappresentato nella Fig.1.

 

Figura 1

 

Queste bande formano dei notevoli fenomeni di concentrazione delle tensioni. In questo modo si crea una micro-cricca che all’ inizio è governata dalle tensioni tangenziali. Ad una profondità di qualche grano la cricca devia e si propaga a zig-zag ma tendenzialmente in direzione perpendicolare alla massima tensione normale.

La micro-cricca procede, sotto il carico ciclico, dapprima lentamente poi sempre più velocemente. Se la zona si trova sempre in trazione si possono notare le “beach marks”, comunemente dette “spiaggette”, che sono le striature lasciate dalla cricca nell’ avanzamento. La cricca procede fino a che la sezione utile non diventa eccessivamente ridotta rispetto al carico esterno; a quel punto si produce una rottura di schianto di tipo fragile.

 

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Lo shot peening: ”pallinatura controllata”

 

Il processo

Esistono diverse tecniche per migliorare la resistenza dei pezzi meccanici nei confronti della sollecitazione a fatica con conseguente aumento della vita dei componenti. Tra di esse troviamo quelle che in vari modi tendono a generare sulla superficie degli stessi, uno sforzo residuo di compressione; infatti le rotture per fatica hanno origine proprio sulla superficie dei pezzi.

Quindi il principio fondamentale seguito da questi trattamenti, tra i quali spicca la pallinatura (shot peening), consiste nel fare in modo che negli strati superficiali la trazione generata dai carichi esterni venga ridotta, sovrapponendole uno strato di compressione “artificiale” generato non già da carichi esterni quanto piuttosto dal trattamento stesso. La somma di trazione e compressione fornisce come risultato uno stato di sforzo superficiale più favorevole.

Questo tipo di lavorazione crea una superficie forte ovvero quella che possiede caratteristiche meccaniche superiori rispetto al nucleo in quanto sede di sforzi di compressione che ostacolano la propagazione delle microcricche di fatica.

Tra i trattamenti superficiali, la pallinatura controllata è spesso utilizzata (in particolar modo nell’industria automobilistica e in quella aeronautica) per incrementare la resistenza a fatica e la durezza superficiale delle macchine e degli elementi strutturali ed è a volte preferibile ai più tradizionali trattamenti termochimici per la maggiore versatilità, il migliore impatto ambientale e il costo relativamente limitato.

La pallinatura poi, migliora la distribuzione delle tensioni superficiali eventualmente turbate da lavorazioni meccaniche o da trattamenti termici e attenua notevolmente la concentrazione degli sforzi provocati da intagli, filettature e decarburazioni superficiali.

Altri benefici sono la maggior resistenza a stress-corrosion, la diminuzione di porosità e infine la superficie in virtù delle fossette superficiali (dimple) (Fig. 2) riesce a trattenere in maniera efficace eventuali oli o grassi per lubrificazione.

Il trattamento di pallinatura consiste nel bombardare la superficie dei pezzi con sfere di acciaio, ceramica o vetro (il pezzo viene sottoposto all’azione di un flusso di sfere di diverso diametro) al fine di plasticizzare gli strati superficiali di materiale dell’elemento meccanico, inducendo così tensioni residue di compressione e incrudendo la superficie stessa (Fig.2).

Si attribuisce proprio al campo di tensioni residue sotto pelle e in minor misura all’incrudimento provocato dalla deformazione plastica, il miglioramento della resistenza a fatica in quanto questo previene la nucleazione e inibisce la propagazione di cricche di fatica.

 

 

 

 

                                                          

                                                          

Fig. 2 Stato di compressione e dimple creato da un pallino

 

Tutti i meccanismi di trattamento superficiale portano ad aumentare la rugosità del pezzo trattato, a incrementare la densità di dislocazioni vicino alla superficie (incrudimento) e alla creazione di uno sforzo residuo macroscopico (macrostress).

Come si può vedere in tabella 1, un’alta rugosità accelera la nucleazione della cricca e non ha effetti sulla propagazione; l’incrudimento ritarda la nucleazione ma accelera la propagazione; infine lo sforzo residuo di compressione ha un piccolo effetto sulla nucleazione e una drastica influenza sulla propagazione.

 

 

Nucleazione cricca

Propagazione cricca

Rugosità superficiale

Accelera

Nessun effetto

Incrudimento

Ritarda

Accelera

Sforzo residuo di compressione

Piccolo effetto

Ritarda

Tabella 1 Effetti di alcuni parametri sulla nascita e propagazione della cricca

 

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Benefici ottenibili

 

La pallinatura controllata è un trattamento atto a migliorare la resistenza a fatica di componenti meccanici in materiale metallico. Non deve essere confuso con la pallinatura convenzionale che, al contrario, è un trattamento di pulizia di superfici.

La pallinatura controllata può raggiungere notevoli profondità di penetrazione ed è spesso impiegato per ritardare od eliminare la formazione di cricche di fatica. In ambienti aeronautici viene impiegato anche prima dei rivestimenti galvanici per eliminare l' infragilimento derivante dalla deposizione dello strato.

Possono essere trattati con efficacia tutti i materiali metallici come acciaio bonificato, acciaio cementato, acciaio nitrurato, leghe leggere in genere ed in particolare ergal, titanio in tutti gli stati di trattamento termico, leghe di magnesio, leghe di boro, leghe o superleghe a base nichel, inconel, maraging, compositi a matrice metallica etc.

Gli incrementi di resistenza che si possono ottenere sono molto spesso davvero rilevanti. Essi dipendono oltre che dalle caratteristiche del trattamento anche dallo stato superficiale del pezzo e dalle condizioni di carico. La tabella 2 mostra alcuni dei risultati più comuni.

 

STATO SUPERFICIALE

prima della pallinatura

AUMENTO DELLA RESISTENZA

limite di fatica

superfici lisce

10 - 20 %

superfici grezze o con difetti

50 - 70 %

superfici con effetto d’ intaglio

scompare l’ effetto d’ intaglio

Tabella 2  Incrementi di resistenza ottenibili

 

Il trattamento permette di prolungare la durata di esercizio del particolare, aumentare livelli di carico in funzionamento, ridurre peso ed ingombri, impiegare materiali di elevata resistenza ma considerati troppo sensibili all'intaglio, in certi casi migliorare le condizioni di lubrificazione e a volte evitare costose riprogettazioni.

 

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Macchine per pallinare

 

La pallinatrice è una macchina che spara delle sfere di vetro o acciaio (a velocità tra 10041000 m/s) tramite aria compressa o utilizzando la forza centrifuga. La macchina deve essere in grado, per mantenere costante l’intensità di pallinatura ed impedire il danneggiamento del materiale da pallinare (scalfitture), anche di rimuovere continuamente gli shot frantumati, usurati e la polvere che si crea durante il processo.

Per garantire un risultato ottimale, la superficie del pezzo da trattare deve essere pulita, cioè priva di polvere, ruggine, sabbia, grasso e olio.

Ci sono due modi per pallinare un pezzo: il metodo a secco e quello bagnato (Fig.3). In quello bagnato gli shot colpiscono la superficie attraverso un sottile film di olio. Nel metodo a secco la rugosità Ra = 2.5-5.0 mm e la profondità dello strato incrudito può arrivare fino a 1.5 mm, mentre in quello bagnato Ra = 0.16-1.25 mm e profondità 0.1 mm, con distribuzione uniforme dello stress. Questo secondo metodo è da preferire come operazione di rifinitura.

 

Fig.3 Macchine a aria compressa: a)a secco b) a bagnato

 

 

 

 

In Fig.4 è rappresentata una macchina ad azione centrifuga a secco: i pallini sono raccolti nella zona 1, da qui vengono trasportati tramite nastro 2 nel serbatoio 3.

Dopo essere entrati nel rotore 4 vengono sparati contro il pezzo S da trattare.

 

Fig.4 Macchina centrifuga a secco

 

Il trattamento di shot peening è sempre l’ultima operazione da farsi, ovviamente mascherando zone e precedenti lavorazioni, che non debbono venire danneggiate dal bombardamento. Una leggera lappatura risulta però conveniente in quanto consente di aumentare ulteriormente la resistenza a fatica dei pezzi.

 

Fig.5 Getti di una pallinatrice

 

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Parametri per pallinare

 

Si è finora parlato di pallinatura senza meglio specificare. In realtà per garantire la ripetibilità e la costanza dei risultati è necessario che il processo avvenga in condizioni ben definite, controllando numerosi parametri. Dunque non bisogna confondere la pallinatura controllata (shot peening), con la semplice pallinatura (shot blasting).Con questo si vuole sottolineare il salto qualitativo notevole che si introduce grazie a un rigoroso controllo dei parametri: la possibilità di ottenere risultati ripetibili e costanti dal trattamento.

L’efficienza è in stretta relazione a diversi fattori quali:

·        durata del processo (copertura)

·        velocità di lancio della graniglia

·        distanza del pezzo dal sistema di proiezione

·        angolo di impatto

·        uniformità della graniglia

·        portata costante della stessa

·        diametro, durezza e massa della graniglia

·        numero e diametro dei getti

 

La dimensione dei pallini, le caratteristiche del materiale di cui sono fatti e la velocità, sono parametri che determinano l’energia cinetica d’impatto:

 

dove D è il diametro dello shot, g il peso specifico, V la velocità e g la costante di gravità.

 

 

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2.3.         Copertura

 

La copertura è un parametro che misura l’estensione dell’area colpita dalla miriade di proiettili che vanno ad urtare contro l’area stessa, è il rapporto percentuale tra la superficie realmente improntata dai pallini e la superficie totale da pallinare.

Il controllo della copertura si effettua in corrispondenza dei punti critici, in relazione all’impiego del pezzo pallinato mediante osservazione con ingrandimento di 50X della superficie pallinata.

È fondamentale ottenere coperture prossime al 100%, o saturazione, affinché si possano rilevare miglioramenti nella vita a fatica di un componente.

Esiste una relazione che lega la copertura alla durata del trattamento. Tale relazione è espressa dalla equazione seguente:

 

Cn=1-(1-C1)n           

 

Dove C1 è la copertura percentuale dopo un ciclo di trattamento, Cn è la copertura percentuale dopo n cicli.

Si ritiene normalmente adeguata una copertura di circa il 98%, mentre al di sotto di questo valore la pallinatura è generalmente considerata inefficace (UNI 5394-72).

 

Percentuale di area coperta in funzione del tempo di esposizione

 

 

Le immagini che seguono (Fig.6-7) mostrano esempi di superfici non perfettamente coperte e superfici correttamente coperte.

 

                                 

                                                           Fig.6 Superficie non totalmente coperta                     Fig.7  Superficie totalmente coperta

 

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Intensità di pallinatura

 

L’intensità è un parametro funzione della velocità, durezza, dimensioni e peso dei proiettili e dell’angolo che forma la superficie pallinata con il flusso di proiettili incidenti. È la caratteristica utilizzata per valutare l’effetto del trattamento, essa viene prescritta in base alla natura del pezzo da trattare ed ai requisiti ad esso richiesti.Le misure di intensità vengono condotte su una sottile lamina ottenuta da nastro di acciaio C 70 (UNI 3545-68) lamina a freddo, temprato e rinvenuto con durezza HRC di 44-45, chiamata Almen, che viene vincolata ed esposta ad un flusso di proiettili per un tempo necessario per arrivare a saturazione. Quando il campione viene rimosso dal vincolo, esso è deformato ed incurvato per effetto delle deformazioni plastiche superficiali. La curvatura assunta dalla lamina in acciaio è una misura dell’intensità Almen, che viene espressa come freccia dell’arco che tale lamina forma.

Si assume come valore dell’intensità di pallinatura caratteristica del getto quello corrispondente alla freccia fi definita dalla relazione:

Dfi = fj – fi = 10% fi            

dove fj è il valore ottenibile raddoppiando il tempo di esposizione (tj = 2 ti, vedere Fig. 8). In pratica si ritiene che la freccia fi ricada immediatamente al di sopra del ginocchio della curva. Per la buona efficacia e riproducibilità della pallinatura i pezzi devono essere sottoposti a tale operazione per un tempo almeno uguale a quello necessario per realizzare l’intensità caratteristica sopra definita.

 

 

Fig.8 Intensità di pallinatura caratteristica del getto

 

Per la misurazione della freccia d’incurvamento deve essere usato un comparatore come in Fig. 9. La provetta Almen deve essere disposta in modo che il palpatore del comparatore appoggi sulla superficie che non è stata pallinata. Il comparatore viene azzerato appoggiando il dispositivo su una superficie piana. La precisione del comparatore deve essere tale da poter apprezzare i valori di freccia dalla provetta senza che l’errore sperimentale influisca significativamente sui risultati della lettura.

 

Fig.9  Comparatore

 

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Pallini o shot

 

Dimensioni e tipo di pallini hanno una notevole influenza sull’intensità. Si usano di regola pallini sferici di ghisa, acciaio, vetro o ceramica. Questi ultimi vengono generalmente utilizzati per pallinare le leghe non ferrose, quali quelle di titanio, alluminio, magnesio ed altre leghe che potrebbero essere contaminate dai pallini in acciaio. Vengono anche utilizzati cilindretti di acciaio ottenuti, di solito, per taglio da filo, aventi lunghezza circa uguale al diametro e spigoli arrotondati (l’arrotondamento viene in pratica ottenuto mediante un uso precedente dei cilindretti, per esempio utilizzandoli per operazioni di pulitura in sabbiatrice.

Come parametro dimensionale caratteristico del pallino si assume abitualmente il diametro , poiché in pratica non si può disporre di pallini perfettamente uguali fra di loro, si assume come diametro rappresentativo quello di maggior frequenza.

La scelta del diametro dei pallini deve essere fatta in base ai seguenti fattori:

·        profilo del particolare.

·        dimensioni dei raccordi od eventuali rigature (piccoli pallini possono entrare in piccoli raccordi, ecc.).

·        rugosità finale tollerata.

·        effetto abrasivo tollerato.

I pallini sono disponibili in un ampio intervallo di diametri ed hanno una durezza che può andare dai 46450 HRC per quelli in vetro, dai 50-60 HRC per quelli in acciaio.

La composizione chimica e la struttura metallografica consigliate per i materiali dei pallini sono indicate nella tabella seguente.

 

Materiale

Composizione chimica

Struttura

Ghisa

C @ 3.5; Si @ 1.5

Tipica della ghisa bianca

Acciaio

C ³ 0.45

Martensite rinvenuta, bainite, sorbite

Vetro

SiO2 combinato ³ 60

Amorfa

Tabella 3 Composizione dei pallini

 

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Il controllo del pallino

 

E' immediatamente comprensibile che la forma del pallino debba necessariamente essere sferica. Pallini non sferici potrebbero danneggiare la superficie e favorire inneschi di rottura.

Si rende indispensabile perciò predisporre la macchina pallinatrice con appositi dispositivi che tengano sotto controllo la geometria dei pallini e provvedano ad allontanare quelli rotti o deformi. Un ulteriore apparecchiatura deve anche assicurare che le dimensioni del pallino si mantengano entro il range dimensionale previsto. Le immagini che seguono (Fig.10-11) mostrano pallini in buone condizioni e pallini scartati dai dispositivi di separazione/calibrazione.

 

          

                                                                                                          Fig.10 Pallini in buone condizioni                Fig.11 Pallini in condizioni non accettabili

 

 

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Angolo d’impatto

 

L’angolo con cui i pallini vanno ad impattare sul pezzo può variare da 90°40°; la condizione di massima intensità si avrà con 90°, diminuendo con l’ampiezza, l’intensità varierà con il seno dell’angolo di incidenza

 

                                                                                                                      Intensità di pallinatura in funzione dell’angolo d’impatto

 

 

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Rugosità superficiale

 

È quella che risulta sul pezzo pallinato secondo la definizione della (UNI 3963); rimanendo costante la natura del materiale pallinato e le caratteristiche operative, essa dipende quasi esclusivamente dalla forma e dalla dimensione dei pallini (Fig.12).

 

Fig.12 Superficie pallinata

 

 

Alcuni studi hanno dimostrato che quando una sfera  di  raggio  R Fig. 13  va a impattare contro il pezzo, la relazione che lega la profondità Hp di zona plastica causata dalla sfera e la profondità Z di indentazione è la seguente:

 con k costante              

 

 

Fig.13 Schema zona elastica-plastica

 

Un ulteriore effetto della pallinatura è la formazione di piccoli difetti superficiali cui si associa un aumento di rugosità.

Questi effetti macroscopici sono la conseguenza di cambiamenti microstrutturali, tali da produrre un aumento di densità di dislocazioni e un’alta deformazione dei grani cristallini. Come si vede in Fig.14, sul pezzo pallinato si creano tre zone ben distinguibili: la zona 1 prossima alla superficie, dove abbiamo una intensa deformazione plastica e il numero di dislocazioni è molto elevato, mentre nella zona 2 il materiale mostra una morfologia dove i grani seppur leggermente distorti, sono chiaramente distinguibili e infine, la zona più interna, corrispondente al materiale vergine.

 

                                                                                                          Fig.14 Modificazioni microstrutturali indotte nei materiali da trattamento di pallinatura

 

 

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Geometria delle impronte lasciate dagli shot

 

In alcune applicazioni è molto importante avere una rifinitura superficiale adeguata, per questo motivo sono nate tecniche di indagine per rilevare la forma della impronte dovute a pallinatura. Lo strumento si basa su un microscopio che invia l’immagine della superficie a un computer, il quale tramite software valuta la forma dell’impronta con un coefficiente di rotondità Ro che va da 1 a 0; un cerchio perfetto ha Ro=1 una linea Ro=0 (Fig.15).

 

Fig.15 Forma dell’impronta

 

Esiste anche una normativa ASTM B851 che indica il massimo numero di impronte con forma non propriamente circolare per cm2 permesso (Tabella 4).

 

Shot acciaio

Shot cilindrici

Shot ceramici

N° max impronte sbagliate per cm2

550

CW54

 

12

460

CW47

 

15

390

CW41

 

80

 

CW35

 

80

330

CW32

Z850

80

280

CW28

 

80

230

CW23

Z650

80

Tabella 4 Numero di impronte con forma sbagliata permesse per cm2

 

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Relazione tra la profondità di compressione e l’intensità di pallinatura

 

Se la superficie del componente ha una durezza eccessiva, per pallinarlo bisogna aumentare la velocità e il diametro delle sfere; però non si possono superare certi valori se non si vogliono avere effetti indesiderati (Fig.16).

 

                   Fig.16 Relazione tra la profondità di compressione e l’intensità di pallinatura con due shot d’acciaio di durezza differente

 

Difatti se l’intensità è troppo elevata, la profondità dell’impronta sulla superficie è eccessiva e si crea uno sforzo residuo di trazione sotto di essa. Questo può portare, in profondità alla formazione di cricche con livelli di stress inferiori rispetto a quelli a cui si formerebbero nel pezzo non pallinato.

Il massimo sforzo indotto in un materiale, dovuto a shot peening è una funzione della pressione con cui viene sparato il pallino e del tempo di esposizione al trattamento. Può raggiungere un limite superiore nonostante il valore di questi due parametri, è ragionevole assumere che questo limite venga raggiunto in modo asintotico.

 

 

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Introduzione delle tensioni residue di compressione

 

La nascita di tensioni residue può essere descritta da due fenomeni ( Fig.17 ):

- allungamento degli strati superficiali causati dall’ impronta dei pallini;

- plasticizzazione degli strati sub-superficiali per effetto della pressione hertziana.

La proporzione volutamente marcata dell’uno o dell’altro fenomeno dà origine ad una distribuzione di tensioni residue di compressione del tipo mostrato nella Fig. 18.

Lo stato tensionale derivante dalla pallinatura si sovrappone a quello derivante dai carichi esterni alla stregua di una tensione media di compressione ritardando o rendendo impossibile il propagarsi della cricca come mostrato nella Fig.19.

 

Fig.17 Tensioni residue dovute a pallinatura

 

  

                                                                                              Fig.18                                                                 Fig.19

 

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Pallinatura water-jet: un applicazione innovativa nel trattamento delle superfici

 

Negli ultimi anni è stata introdotta una nuova tecnica di pallinatura che utilizza la tecnologia del getto d’acqua e viene denominata water-jet .

Come abbiamo visto la tradizionale pallinatura utilizzando pallini proiettati contro la superficie da trattare produce deformazione plastica nel pezzo, la cui conseguenza è quella di creare uno stato di compressione residua che impedisce la formazione della cricche all’interno del materiale.

Principale svantaggio di questo processo è peggioramento della qualità della superficie su cui rimangono le impronte causate dall’impatto dei pallini. È però possibile che vi sia l’esigenza di un’elevata qualità della superficie, in questi casi si ricorre normalmente ad una rilavorazione del componente successiva alla pallinatura, con conseguente diminuzione degli effetti benefici da essa indotti.

In questo contesto si propone l’utilizzo del water-jet per ottenere nei materiali metallici un effetto analogo a quello ottenuto con la pallinatura tradizionale. La deformazione plastica viene ottenuta in seguito all’impatto sulla superficie delle gocce d’acqua che si formano quando il getto si “rompe” dopo aver percorso alcuni centimetri in aria. La velocità di impatto è tale da provocare un onda d’urto nel materiale che raggiunge in prossimità della superficie il proprio carico di snervamento.

Il principale vantaggio dato da questo processo è l’assenza della variazione della qualità superficiale data dalla pallinatura tradizionale. Regolando opportunamente i parametri del processo si possono ottenere delle compressioni residue dell’ordine dei due terzi del carico di snervamento del materiale senza che vi siano variazioni apprezzabili della superficie.

I parametri che influenzano maggiormente il processo sono risultati essere la pressione della pompa ed il diametro dell’ugello.

 

 

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Metodi di misura

 

Per un miglior controllo del processo e per una applicazione più rigorosa dei metodi appena accennati è possibile misurare le tensioni residue introdotte dalla pallinatura. Diversi sono i metodi che consentono una misura di questo tipo. La diffrattometria a raggi X è il più affidabile per questo trattamento. La misura superficiale è di tipo non distruttivo, mentre lo diventa qualora si effettuino misure in profondità.

 

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Applicazioni

 

 

Quali pezzi pallinare?

 

La varietà dei casi in cui è possibile applicare il trattamento è davvero straordinaria. Come già accennato, la pallinatura controllata può essere impiegata con soddisfazione ogniqualvolta ci si trovi in presenza di sollecitazioni di fatica. Solo a titolo di esempio e senza la pretesa di essere esaustivi proponiamo alcune applicazioni tipiche.

Le molle sono un ottimo esempio di applicazione del trattamento.In questi particolari il carico esterno è quasi sempre dello stesso segno e i vantaggi conseguibili sono notevoli.

Le bielle sono particolari meccanici estremamente sollecitati e la loro geometria è inevitabile fonte di fenomeni di effetto di intaglio di notevole importanza. Studi scientifici hanno dimostrato che la pallinatura controllata è particolarmente efficace in presenza di effetto di intaglio.

 

Biella

Biella

 

I componenti strutturali aeronautici in leghe leggere sono normalmente pezzi dalle geometrie estremamente complesse, molto sollecitati e spesso sede di effetti di notevole concentrazione delle tensioni. La pallinatura controllata migliora incredibilmente il loro comportamento a fatica.Come si può immaginare questo è un settore particolarmente strategico in cui la criticità strutturale deve essere particolarmente studiata e controllata. 

 

Piatto oscillante

Carter trasmissione

Piatto oscillante

Carter trasmissione

 

Cerchio

Pylon per convertiplano

Cerchio

Pylon per convertiplano

 

 

I componenti strutturali aeronautici in leghe leggere sono normalmente pezzi dalle geometrie estremamente complesse, molto sollecitati e spesso sede di effetti di notevole concentrazione delle tensioni. La pallinatura controllata migliora incredibilmente il loro comportamento a fatica.

Gli alberi, gli assali e gli alberi a gomito sono spesso pallinati nelle gole, nei raccordi ed in tutte quelle zone che sono spesso fonte di innesco di cricche. Le saldature sono sempre punti molto delicati in organi meccanici. Sono spesso fonte di difetti e di tensioni residue di trazione. La pallinatura controllata migliora incredibilmente il loro comportamento a fatica.

 

Albero motore

 

Un discorso particolare va fatto circa le ruote dentate, che sono il principale esempio di applicazione della pallinatura controllata. I risultati onseguibili in questi particolari sono davvero sorprendenti e sono dovuti essenzialmente a tre fenomeni:

1.      miglioramento del pitting;

2.      miglioramento della tenuta per fatica alla radice del dente;

3.      miglioramento delle condizioni di lubrificazione.

 

 

Nel campo automobilistico ogni componente meccanico è altamente sollecitato agli effetti raggruppati nel termine “fatica

Impiegare il trattamento di shot peening è praticamente indispensabile.  Non sarebbe altrimenti possibile raggiungere nè l’affidabilità nè le attuali prestazioni. In questo settore abbiamo pallinato tutti i componenti strutturali in materiale metallico, gran parte dei componenti del motore e tutto il cambio.

 

Scatola cambio

Albero motore

Barra torsione/molla

Scatola cambio

Albero motore

Barra torsione/molla

 

Leva cambio

Pedale accelleratore

Leva cambio

Pedale accelaratore

 

Nel settore dello sviluppo energetico i componenti principali sono le pale per turbina e le pale per compressore. Questi componenti sono normalmente soggetti a problemi di pitting sulla radice della pala e a problemi di fatica alla radice della foglia. Inoltre occorre controllare con molta accuratezza la rugosità della foglia, per garantire la corretta adesione dei vari riporti metallici e ceramici.

Non ultimo il problema della riduzione della rugosità finale della foglia della pala per l’ottimizzazione del rendimento della turbina stessa.

 

Girante compressore

Mozzo per turbina

Girante compressore

Mozzo per turbina

 

Pale per turbine

Girante

Pale per turbine

Girante

 

Un altro campo dove troviamo esempi di pezzi pallinati è quello dell’industria navale. In questo caso, a differenza dei precedenti settori, si trattano componenti di grandi dimensioni. Ad esempio vengono trattate delle bielle allo scopo di ridurre il fretting nelle zone di accoppiamento con i cuscinetti, e delle valvole di motori diesel per ridurre la fatica in presenza di agenti aggressivi come carburante e gas di scarico.

 

Biella

Corpo valvola

Biella

Biella

Corpo valvola

Biella

 

Anche  in settori che in passato erano considerati settore di scarso impegno tecnologico, oggi si pretendono prestazioni sempre più spinte e rumorosità sempre minori per soddisfare le sempre più esigenti richieste del mercato. Un esempio di quanto  affermato è individuabile nel settore movimento terra. Applicare anche in questo compartimento tecnologie avanzate è determinante. Normalmente si eseguono trattamenti di pallinatura controllata sulle ruote dentate per incrementare la coppia trasmissibile.

 

 

 

 

 

 

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Lo shot  peening nel mondo del ciclismo

 

Cerchiamo innanzitutto di fare chiarezza circa le diverse applicazioni che è possibile riscontrare su una struttura ciclistica.

Come primo esempio riportiamo la scheda tecnica di una piega manubrio che viene trattata con pallinatura controllata. E’ la Itm Millennium Ultra Lite (Fig.20) nota la piega di maggior prestigio della Italmanubri, un componente che viene prodotto in lega di alluminio 7075 T6, commercialmente conosciuto anche come Ergal, che ITM commercializza in una linea di prodotto comprensiva anche dell’omonimo attacco manubrio.

 

Fig.20 Itm Millennium Ultra Lite 

 

 Della Millennium occorre dire del trattamento di “shot peening” a cui viene sottoposto il materiale, la procedura di compattamento superficiale che innalza la resistenza alla fatica del materiale e lo pone in grado di sopportare i carichi, talvolta poco omogeneamente distribuiti, provocati dal serraggio di attacchi di tipo apribile.

Secondo esempio di piega manubrio pallinata è l’anteprima novità in casa Modolo. La piega Modolo X-TRA Curvissima (Fig.21)  è un modello che si distingue per un profilo laterale che vede la prima piega alta della curva scarsamente inclinata, al fine di costituire un corpo continuo di intersezione tra la parte rettilinea trasversale della piega e gli ammortizzatori poggiamani delle leve di comando.

Fig.21 Modolo X-TRA Curvissima

 

La geometria della X-TRA si esprime con un reach pari a 91 mm e un drop di 143, misura che propone uno sviluppo allungato e basso della curva, ragionevolmente allineato ad una finalità d’uso che prevede più spazio per l’appoggio dell’avambraccio e un occasionale ricorso alla presa bassa estrema, evento decisamente raro nelle granfondo e nelle lunghe percorrenze.  La X-TRA viene realizzata in lega di alluminio 7075 T6 a tre spessori differenziati (1.4-1.35-1.25 mm) e sottoposta a trattamento di “shot peening”. Della stessa linea fa parte il modello KALY (Fig.22) con l’unica differenza che è prodotta in lega di alluminio 2014 T6.

 

Fig.22 KALY

 

Altro esempio sono le pieghe manubrio prodotte dall’azienda taiwanese FSA ( Full Speed Ahead): trattasi delle due curve manubrio Wing e Pro Wing. Delle due, la più prestigiosa è la Pro Wing , una curva manubrio prodotta in lega di alluminio 2014 “double butted”, che in fase di costruzione subisce una conifica e un trattamento di finitura di micropallinatura superficiale (“shot-peening”), oltre che un invito per le guaine nella zona inferiore alla prima curva. Le diversità sostanziali tra i due modelli spora citati devono essere ricercate nella classe del materiale utilizzato, lega di alluminio 6061-T6 per la Wing, nella grafica laserata e nel peso, pari a 305 g.

Wing

 

In questa carrellata di casi reali non può mancare l’esempio di un telaio. Il caso più famoso  riguarda la FRM Scandium SuperDirt (2001) (Fig.23) una hardtail pronta a segnare nuovi record sulla bilancia, tanto che agli occhi di qualcuno la riduzione maniacale dei pesi da parte dell’artigiano di Riolo Terme è sembrata spesso tanto eccessiva da penalizzare la rigidità di biciclette che risultavano così troppo delicate.

 

Fig.23 FRM Scandium SuperDirt (2001) 

 

Buona parte del merito va allo Scandio, metallo prezioso e di difficile lavorazione che, legato all’alluminio, fornisce una lega dalle resistenze ai carichi di rottura aumentate rispetto alla norma. Il telaio lo fornisce l’americana Easton coi tubi SC7000 Scandium (Fig.24-25), ed è inevitabilmente su questi che la scelta di FRM è andata a ricadere: la casa ravennate è infatti sempre alla ricerca dei materiali più leggeri e ricercati.

 

Fig.24 Caratteristiche tecniche

 

                       

           Fig.25 telaio SC7000 Scandium

 

 Lo Scandio è un minerale pregiato, che richiede mani sapienti in grado di lavorarlo: legato all’alluminio, eleva le capacità di resistenza e fatica della lega. Test meccanici, effettuati nel 1999 dalla Combustion Engineering, hanno dimostrato che il carico di snervamento dell’alluminio con Scandio è del 20 per cento superiore rispetto a una lega 7005; addirittura del 40 per cento in più, secondo la stessa Easton, è la resistenza alla fatica. In virtù di queste qualità, è stato possibile ridurre la quantità di lega impiegata nei tubi a favore di una ovvia riduzione dei pesi. Le sezioni ridotte portano così il telaio a un risultato eccellente: soltanto 1250 grammi per questo frame dalle geometrie spartane e accattivanti. È stato poi compiuto un lavoro di rinforzo e compattamento dei tubi attraverso un vero e proprio bombardamento per mezzo di microscopiche sfere di vetro sparate ad alta pressione sul telaio; così facendo sono state compattate le molecole esterne allontanando la formazione di cricche di rottura a fatica.

Sullo stesso fronte sopra citato si è mossa la DEDA Elementi che ha sviluppato il trattamento KET( Kinetic Energy Treatment) parente stretto del classico shot peening. Il trattamento si basa, essenzialmente, sulla trasformazione di energia cinetica, di cui sono dotate le particelle che colpiscono il materiale trattato, in energia di deformazione plastica degli strati superficiali del materiale oggetto del trattamento. Particelle microscopiche, di apposita composizione chimica e forma geometrica, vengono accelerate fino a raggiungere velocità subsoniche, e impattano, secondo angoli predeterminati, sulla superficie del campione metallico. Parte dell’energia cinetica posseduta dalle particelle viene trasformata in energia di deformazione plastica del materiale trattato (per una profondità compresa tra 0,02 millimetri e 0,10 millimetri a seconda del materiale). Questa deformazione plastica induce uno stato tensionale di compressione che interessa una profondità di poco superiore a quella interessata dalla deformazione plastica. Un effetto indotto è quello di un considerevole aumento della durezza (circa il 30% di incremento) alla superficie.

        

Della Deda Elementi sono molti dei in alluminio 6061 T6 presenti sulla Battaglin Vortex, la stessa specialissima con la quale Giuliano Figueras ha vinto il Giro del Veneto; quasi tutti i pezzi sono  realizzati con trattamento speciale di pallinatura.

 

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ALLEGATO

 

Leghe di alluminio più diffuse nel ciclismo

 

Come la totalità dei metalli anche l'alluminio non è utilizzato allo stato puro ma legato ad altri componenti a formare leghe Infatti le sue proprietà meccaniche  sono modeste e allora si introducono elementi alliganti quali rame, magnesio, manganese, silicio, zinco che da soli o combinati tra loro migliorano le caratteristiche resistenziali:

a)     il silicio: migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione;

b)     il magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione in ambiente alcalino e in mare;

c)     il manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione;

d)     il rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo;

e)     lo zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata resistenza meccanica.

Altri elementi quali cromo (resistenza a corrosione), zirconio, vanadio sono usati come correttivi (affinazione grano, bloccaggio di impurità...) ;nichel, titanio e zirconio (p. meccaniche),bismuto, piombo, cadmio e stagno,silicio per scopi particolari. Il ferro, é sempre presente come impurezza.

 

Nomenclatura

Queste leghe sono numerose e per indicarle si adottano diversi sistemi. Il più utilizzato in campo ciclistico è quello detto ASTM, organismo americano che si occupa delle prove sui materiali; ogni lega è caratterizzata da un codice di 4 numeri seguiti da una lettera (H o T) più un numero, ad esempio 7020-T6.

Il primo numero indica il principale componente legante della lega:
1) nessun legante
2) rame
3) manganese
4) silicio
5) magnesio
6) magnesio + silicio
7) zinco
8)Altri elementi...

Il secondo numero indica se è presente anche un secondo legante (in percentuale  minore); 0 per indicare assenza di un secondo legante.

Le ultime due cifre servono ad identificare le diverse leghe a base dello stesso legante.

La lettera indica il trattamento subito o non dalla lega:

·        F grezzo di fabbricazione

·        O ricotto

·        H incrudito (deformazione plastica a freddo)

·        W solubilizzato

·        T trattamento termico per ottenere stato stabile diverso da F, O, H

Il numero che segue indica la natura del trattamento termico. (Tab. 1)

 

LEGHE DA TRATTAMENTO TERMICO

Tempra in aria e invecchiamento naturale

T1

Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento

T2

Tempra, incrudimento e invecchiamento naturale

T3

Tempra e invecchiamento naturale

T4

Tempra in aria e invecchiamento artificiale

T5

Tempra e invecchiamento artificiale

T6

Tempra e stabilizzazione

T7

Tempra, incrudimento e invecchiamento artificiale

T8

Tempra, invecchiamento artificiale e incrudimento

T9

Tempra in aria, incrudimento e invecchiamento artificiale

T10

Tabella 1  Indicazione degli stati metallurgici.

 

La classe 2000 è utilizzata per telai più economici, mentre le altre rappresentano praticamente l'intero panorama della telaistica in alluminio attualmente sul mercato. Ovviamente il modulo elastico resta lo stesso dell' alluminio puro, dipendendo infatti solamente dal tipo di cella atomica e vale E=70 (Gpa).

Alluminio - rame (2xxx). Il rame è un elemento in lega molto importante per l’alluminio, vista la sua apprezzabile solubilità ed il suo effetto rinforzante. Il  rame costituisce il principale elemento in lega, in concentrazioni variabili dall’1 al 6% in peso. Le leghe binarie Al-Cu non sono molto usate commercialmente: si aggiungono  Mg, Cr, Si, Ti  per realizzare,a seconda delle loro percentuali ,diversi tipi di intermetallici:

·        CuAl2

·        CuMgAl2

·        MgSi2

·        Cu2Mg8Si5Al4

Si capisce allora l' importanza del Mg come elemento fondamentale nella loro realizzazione. Mn e Zn sono da considerarsi impurezze apportate dall' alluminio stesso. In particolare il Fe deteriora le proprietà meccaniche sequestrando rame per la realizzazione di un intermetallico per cui si raccomanda %Fe < 0,5%.
Esse vengono usate spesso per applicazioni strutturali sugli aerei e in generale dove occorrono buone caratteristiche meccaniche e leggerezza.  

Alluminio – magnesio (5xxx). Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 5052/5086. Contengono magnesio (0,5 - 5,5 %) oltre che Si (0,2%) e Fe (0,5-0,7 %) come impurezza. Le proprietà meccaniche dipendono fortemente da incrudimento ed eventuale ricottura. Se Mg>3,4% precipita Mg5Al8 a bg con problemi di SCC e corrosione inter- granulare. Per limitare il problema, si ricorre al Cr. Queste leghe addolciscono a T ambiente dopo incrudimento per deformazione, per cui occorre stabilizzarle con TT a 120-150 °C anche se ciò determina una certa perdita di proprietà meccaniche. 

Alluminio - magnesio - silicio (6xxx). Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 6061/6082. Questo sistema costituisce la classe principale di leghe per i pezzi lavorati a caldo e per quelli ricavati da fusione. Esse riescono a combinare alcune caratteristiche favorevoli:resistenze meccaniche medie, autotempranti (per spessori ridotti), buona saldabilità,  resistenza alla corrosione e insensibili a problemi di SCC (Stress corrosion cracking). L’indurimento avviene soprattutto per precipitazione del composto Mg2Si. Si suddividono in due categorie:

a)     Leghe quasi binarie (es: 6063) con Mg/Si=1,73 e in quantità comprese tra lo 0,8 e l' 1,2%. Sono particolarmente adatte per estrusione ed impieghi decorativi, adattandosi bene a processi di elettrocolorazione (meglio allora se presentano %Si inferiori).

b)     Leghe con aggiunta di Cu (migliora p meccaniche ma peggiora resistenza a corrosione) e Cr (contro corrosione) e maggiori quantità di Si per la formazione di Mg3Si. Rientrano in questa categoria la 6061 (in cui compare Al2Cu e l' effetto indurente del Si libero), la 6151 e la 6351. Per aumentare la lavorabilità si ricorre a Pb e Bi (6262).

Alluminio - zinco (7xxx). Esempio utilizzo in campo ciclistico: leghe 7003/7005/7020. Generalmente le leghe binarie Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg che,trattate termicamente, hanno la più elevata resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio. Soffrono SCC a causa dell' instaurarsi di microcoppie galvaniche, problema che si può minimizzare per 2,7<Zn/Mg<2,9 e realizzando due invecchiamenti, a 120 (2-3 ore)ed a 170°C (6-8 ore) che però riducono le proprietà meccaniche. Facilmente saldabili se (Mg+Zn)<6%, richiedono però TT per recuperare le proprietà meccaniche. Lo zinco aumenta la resistenza e la durezza,oltre a favorire l’autotemprabilità della lega che può causare problemi di stress residui. Occorre scegliere opportunamente allora la T di solubilizzazione. Si é portati a sostituire Cr e Mn che sequestrano Mg e Cu con Zr (0,1-0,25%) che si lega solo con Al (precipitato binario). Quanto alla 7005 e 7020 c' é da sottolineare che l' invecchiamento non va fatto immediatamente dopo la solubilizzazione (a 470 °C) e la tempra e ciò permette di gestire il magazzino in modo più elastico. 

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Links e Bibliografia

 

Tutte le informazioni  e le immagini presenti in questo elaborato sono state ricavate da:

a)     http://www.aluminiumdays.com/

b)     http://www.cycling.it/

c)     http://www.dedaelementi.com/

d)     http://www.eastonbike.com/        

e)     http://www.frmbike.com/

f)      http://www.fullspeadhead.com/

g)     http://www.metalimprovement.com/

h)     http://www.modolo.it/

i)       http://www.norblast.it/

j)       http://www.peenservice.it/

 

·                    M. Guagliano e E. Riva, Influenza della pallinatura sulla propagazione di cricche per fatica da contatto in ruote dentate, AIAS XXXI Convegno Nazionale, 18-21 Settembre 2002.

·                    Robert C. Juvinall, Kurt M. Marshek, Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine, Edizioni ETS, pp. 599-650, 1993.

 

Articoli utilizzati:

       I.      Curve manubrio FSA alluminio di Enrico Pastori - La Bicicletta, novembre 2003;

    II.      L'evoluzione delle curve manubrio di Enrico Pastori - La Bicicletta, marzo 2000;

 III.      FRM Scandium SuperDirt (2001) di Maurizio Coccia - BdM - Mountain Bike World, aprile 2001;

 IV.      Perché è stanco il tuo telaio di Enrico Pastori - La Bicicletta, luglio 2002.

 

Normative utilizzate:

ASTM B 851-94 “Automated controlled shot peening of metallic”

UNI 5394-72 “Pallinatura per miglioramento della resistenza a fatica”

 

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