Esame Metallografico degli Ingranaggi: Principi, Metodi e Conoscenze Chiave

Obiettivi principali e parametri di rilevamento

• Profondità della cementazione: un indicatore chiave per la resistenza all'usura degli ingranaggi cementati/temprati (come richiesto dallo standard ISO 6336).
• Dimensione del grano: influenza la resistenza e la tenacità dell'ingranaggio (classificata secondo ASTM E112).
• Microstruttura: le morfologie di martensite, austenite residua e carburi determinano le prestazioni a fatica.
• Difetti superficiali: rileva bruciature da rettifica e cricche (conforme allo standard AIAG CQI-9).

Costituenti microstrutturali di base

• Ferrite (α): struttura cubica a corpo centrato (BCC), morbida e tenace con bassa durezza (~80HV), comune negli acciai a basso tenore di carbonio e nel ferro puro.
• Austenite (γ): struttura cubica a facce centrate (FCC), elevata plasticità e non magnetica, presente ad alta temperatura o negli acciai ad alta lega come l'acciaio inossidabile 304 e gli acciai ad alto contenuto di manganese.
• Cementite (Fe₃C): sistema cristallino ortorombico, dura e fragile (~800HV) e migliora la resistenza all'usura, presente nella ghisa bianca e negli acciai ad alto tenore di carbonio.
• Martensite: struttura tetragonale a corpo centrato (BCT), elevata durezza (500~1000HV) ottenuta mediante tempra, utilizzata negli acciai temprati e negli acciai per utensili.

Morfologie microstrutturali comuni

Processo di prova e metodi standard

Campionamento e Preparazione dei Campioni

• Posizioni di campionamento: Testa del dente (valuta l'effetto della tempra superficiale), radice del dente (analizza la microstruttura nelle aree di concentrazione delle sollecitazioni), sezione trasversale (misura il gradiente di cementazione).
• Fasi principali della preparazione: Taglio → Incapsulamento → Levigatura → Lucidatura → Mordenzatura → Osservazione al microscopio.
• Incapsulamento: Utilizzare resina epossidica per la protezione dei bordi (si consiglia l'incapsulamento a freddo per evitare effetti termici).
• Lucidatura: Lucidare fino a una finitura speculare di 0,05 μm con pasta diamantata per evitare interferenze da graffi.

Selezione del mordente

Principali apparecchiature di prova

Microscopio ottico (OM)

• Applicazione: osservazione della microstruttura di base (ad es. classificazione della dimensione del grano).
• Requisiti di configurazione: ingrandimento da 500× a 1000×, dotato di software di analisi delle immagini (ad es. Olympus Stream).

Microscopio Elettronico a Scansione (SEM)

• Vantaggi: Osservazione ad alta risoluzione di inclusioni non metalliche (ad es. MnS) e analisi della composizione tramite EDS.
• Esempio di caso: Fessurazioni intergranulari causate da segregazione di zolfo rilevate nell'analisi della frattura di un riduttore per energia eolica.

Prova di microdurezza

• Metodo: Prova del gradiente di durezza Vickers (HV0,3~HV1) per tracciare le curve di tempra superficiale.
• Norma: ISO 2639 definisce la profondità di tempra superficiale come la distanza dalla superficie al substrato a 550HV1.

Analisi della microstruttura

Microstrutture normali

Difetti comuni e cause

• Cementazione eccessiva: carburi a rete sulla superficie, con aumento della fragilità e del rischio di scheggiatura della superficie dei denti.
• Bruciatura da rettifica: colorazioni da rinvenimento rivelate dall'acidificazione (ASTM E1257), prevenute controllando la velocità di avanzamento e utilizzando mole in CBN.
• Fessurazioni da tempra: propagazione intergranulare con estremità acute (confermata da SEM).