Caso 01 / Cracking nella formatura a freddo per imbutitura
La flangia del bullone si è fessurata a rete:
Alla ricerca delle cause attraverso l’analisi della microstruttura lamellare e della superficie indurita
Un bullone presenta la parte dell’asta apparentemente normale, ma lungo il bordo della flangia, dopo la formatura a freddo per imbutitura, sono comparse sottili e numerose cricche. In situazioni come questa, limitarsi a chiedere “il materiale è forse troppo duro?” spesso non basta.
L’obiettivo principale di questa analisi è stato evidenziare che, proprio vicino alla superficie del materiale, coesistono anomalie microstrutturali e un aumento della durezza. Da ciò deduciamo che la microstruttura lamellare e una presunta arricchimento superficiale di carbonio hanno compromesso la capacità locale di deformazione, favorendo la formazione delle cricche durante la fase di imbutitura a freddo della flangia.
Nelle righe seguenti illustreremo chiaramente le osservazioni ottenute dalle prove e ricostruiremo questo percorso di rottura.
I. Contesto del caso: il cliente incarica Creation Group di analizzare il cracking da imbutitura a freddo
Un’azienda produttrice di elementi di fissaggio utilizza filo d’acciaio fornito dal proprio fornitore abituale per fabbricare bulloni; durante la fase di imbutitura a freddo ha riscontrato la comparsa di fratture reticolari sulla zona della flangia e ha successivamente affidato al Gruppo Creation Group l’incarico di effettuare un’analisi approfondita.
Il cliente dichiara che il materiale sia SCM435, con sezione circolare φ13,15 mm. Il materiale oggetto del presente caso non proviene da Creation Group, che si è occupata esclusivamente delle analisi sui campioni inviati; le informazioni relative al cliente e al fornitore sono state rese anonime.
Le basi su cui si fonda l’analisi comprendono l’aspetto visivo dei campioni, le fotografie metallografiche della sezione trasversale e i dati relativi alle misurazioni microdurezza Vickers. Non sono stati disponibili né il filo grezzo dello stesso lotto, né i registri completi del trattamento termico, né risultati quantitativi relativi alla concentrazione di carbonio.
Aspetto delle cricche sulla flangia
Sulla flangia del campione inviato all’analisi sono visibili numerose brevi fratture, localmente intrecciate tra loro.
II. Risultati dell’analisi: lo strato superficiale non solo presenta una microstruttura diversa, ma anche una durezza superiore
Le fotografie metallografiche mostrano che nella sezione esaminata è presente una zona di netta differenza microstrutturale vicino alla superficie; le due aree evidenziate presentano larghezze rispettivamente pari a 78,56 μm e 105,64 μm, corrispondenti a circa 0,08–0,11 mm.
Osservando ad alto ingrandimento, si nota che in tale zona sono presenti morfologie lamellari e striate piuttosto evidenti, diverse dalla morfologia dei carburi interni.
Microstruttura dello strato superficiale e misurazione locale della larghezza
Le larghezze locali misurate nelle due zone contrassegnate come aree di differenza microstrutturale non corrispondono direttamente alla profondità di carburazione già determinata.
Microstruttura ad alto ingrandimento dello strato superficiale
Nello strato superficiale sono chiaramente visibili caratteristiche microstrutturali lamellari e striate; l’ingrandimento originale e la scala rimangono inalterati.
Microstruttura interna ad alto ingrandimento
Confrontando con la Figura 3, si osservano la morfologia e la distribuzione dei carburi; il contrasto tra chiaro e scuro non sostituisce direttamente l’analisi del tenore di carbonio.
La durezza microscopica fornisce un’ulteriore prova. Secondo la sequenza dei punti di misura indicata nel rapporto analitico, “dal bordo verso l’interno”:
Elementi confrontati Rapporto analitico
Primo punto vicino alla superficie 260,5 HV0.1
I successivi due punti 248,5 e 240,6 HV0.1
Valore medio nell’intervallo 0,5–1,4 mm circa 232,4 HV0.1
Differenza tra il primo punto superficiale e il suddetto valore medio circa 28,1 HV0.1
La differenza microstrutturale e l’aumento di durezza si confermano reciprocamente: lo strato superficiale non è semplicemente “un po’ più scuro nella fotografia”, ma presenta una microstruttura e una risposta meccanica differenti da quelle interne.
Dati analitici
I dati grezzi relativi a 15 punti di durezza micro-Vickers
Curva della durezza
Curva della durezza micro-Vickers
Le prove sono state effettuate secondo la norma HV0.1, per un totale di 15 punti. I dati e la curva insieme illustrano le variazioni di durezza tra i vari punti; occorre interpretarli tenendo conto della posizione dei singoli punti.
III. Prima pista causale: perché si forma la microstruttura lamellare?
L’obiettivo della ricottura di sferoidizzazione non è soltanto ridurre un valore di durezza, ma anche ottenere una morfologia e una distribuzione delle carburi idonee alla successiva deformazione a freddo.
Per la microstruttura lamellare osservata in questo caso, consideriamo principalmente due possibili percorsi di formazione: l’originaria perlite non si è completamente sferoidizzata, oppure, dopo il riscaldamento, durante il raffreddamento si è nuovamente formata perlite.
L’interpretazione termica principale proposta consiste nel fatto che la temperatura di riscaldamento, il tempo di mantenimento e il processo di raffreddamento non sono stati adeguatamente coordinati, favorendo la persistenza o la ri-formazione della perlite lamellare.
Se il riscaldamento avviene parzialmente nella zona di austenitizzazione, con temperature troppo elevate o un mantenimento inadeguato a tali temperature, lo stato di dissoluzione dei carburi subisce variazioni; se poi il successivo raffreddamento non favorisce la formazione di carburi sferoidali, può ripresentarsi una microstruttura lamellare. Il processo di sferoidizzazione coinvolge sia la dissoluzione dei carburi durante il riscaldamento sia la loro ri-precipitazione al raffreddamento; pertanto non si può limitare l’analisi a un singolo parametro di mantenimento.
Quindi, non vale la regola “più lungo è il mantenimento, più morbido diventa”, né “una volta effettuata la sferoidizzazione, questa sarà necessariamente completa”. In definitiva, occorre esaminare direttamente la microstruttura.
IV. Seconda pista causale: l’atmosfera del forno ha aggravato le anomalie dello strato superficiale?
L’aumento della carbonizzazione superficiale rappresenta un’altra importante ipotesi causale elaborata in questo caso.
Se l’atmosfera interna del forno presenta una tendenza all’aumento del tenore di carbonio rispetto all’acciaio, sulla superficie del materiale può verificarsi un arricchimento locale di carbonio, modificando così la quantità, il comportamento di dissoluzione e di trasformazione dei carburi in quella zona e determinando differenze microstrutturali tra la superficie e l’interno.
Questo fenomeno potrebbe sovrapporsi alle anomalie del processo di sferoidizzazione: da un lato, la microstruttura lamellare non viene completamente eliminata o si riforma; dall’altro, l’arricchimento superficiale di carbonio influisce ulteriormente sulla microstruttura locale e sulla durezza.
Tuttavia, va precisato un aspetto importante: i risultati metallurgici e di durezza attualmente disponibili supportano tale interpretazione, ma non costituiscono una prova indipendente dell’effettivo aumento del tenore di carbonio. Infatti, a parità di contenuto di carbonio, variazioni nella morfologia della microstruttura, nelle dimensioni dei grani e nella distribuzione dei carburi possono comunque influenzare le proprietà meccaniche del materiale.
Pertanto, l’ipotesi dell’“aumento di carbonio dovuto all’atmosfera” rappresenta, in questo caso, una plausibile deduzione relativa alle cause del processo, piuttosto che un dato diagnostico già confermato da prove quantitative.
V. Perché si manifesta infine una fessurazione reticolare sul flangia?
Durante la formatura della flangia, il materiale si espande verso l’esterno, aumentando la superficie; gli strati prossimi alla superficie devono deformarsi coerentemente con quelli interni.
La presenza di una microstruttura lamellare e di zone localmente più dure suggerisce che la risposta alla deformazione in queste aree differisca da quella degli strati interni. Sotto l’azione combinata di trazione e taglio locali, qualora la capacità di deformazione risulti insufficiente, possono facilmente comparire delle cricche iniziali.
Con il proseguire della formatura, si generano fratture successive in diverse zone deboli; le crepe si propagano secondo diverse direzioni e, in alcuni punti, si collegano tra loro, dando luogo a un pattern reticolare.
In termini più semplici: mentre l’interno continua a espandersi verso l’esterno, lo strato superficiale non riesce a seguire, e vengono aperte numerose fenditure in sequenza.
Il percorso di rottura qui proposto è il seguente: trattamento termico di sferoidizzazione mal condotto, con formazione di microstruttura lamellare residua o rinata; possibile arricchimento superficiale di carbonio dovuto all’atmosfera, che accentua le differenze microstrutturali e di durezza nello strato prossimo alla superficie; durante la stampaggio a freddo della flangia, disomogeneità nella deformazione locale, che favorisce la nucleazione di fratture multiple.
Questa è la principale ipotesi meccanicistica formulata sulla base dei dati disponibili. I campioni prelevati finora sono stati estratti dalla parte centrale dell’asta, pertanto non è ancora possibile equiparare direttamente quanto osservato su tale sezione al fatto che le fratture della flangia abbiano effettivamente avuto origine negli strati anomali.
6. Punti chiave dell’intervento: verificare simultaneamente il processo di trattamento termico e il controllo dell’atmosfera
Visto che si tratta di un fattore duplice, le successive misure non possono limitarsi a un singolo valore di durezza.
Primo, verificare il processo di trattamento termico effettivo. Confrontando la temperatura di riscaldamento, il tempo di mantenimento e la curva di raffreddamento realmente subiti dal materiale, occorre accertare se la microstruttura lamellare sia rimasta insufficientemente sferoidizzata oppure si sia riformata durante il raffreddamento.
Secondo, controllare l’atmosfera e la distribuzione del carbonio in superficie. Raffrontando i registri del controllo atmosferico ed eseguendo su fili grezzi dello stesso lotto indagini incrociate sulla composizione superficiale fino all’interno, relativamente al tenore di carbonio, alla microstruttura e alla durezza, si potrà confermare la presenza di arricchimento superficiale di carbonio.
Terzo, validare gli effetti delle modifiche attraverso l’analisi della microstruttura e dei risultati di formatura. Non basta osservare se, dopo gli interventi, la durezza complessiva sia diminuita; occorre anche verificare se la microstruttura lamellare vicino alla superficie si sia ridotta, se lo stato tra superficie e cuore risulti più uniforme e quali siano i risultati delle prove di imbutitura a freddo sui prodotti analoghi.
Le informazioni disponibili non includono i risultati delle verifiche post-intervento né le registrazioni della produzione in serie; pertanto, le indicazioni operative sopra descritte non vengono presentate come misure già validate e pienamente efficaci.
7. Conclusioni del caso
La principale causa di guasto individuata in questo caso è la seguente: la microstruttura lamellare presente in prossimità della superficie, unita a una localizzata indurimento, ha ridotto la capacità di deformazione coordinata, favorendo la formazione di cricche a reticolo durante l’espansione della flangia nella fase di imbutitura a freddo.
In merito alle cause dell’anomalia, l’attenzione si concentra principalmente sull’inadeguatezza del processo di sferoidizzazione termica e sul probabile arricchimento superficiale di carbonio dovuto all’atmosfera interna del forno. In particolare, i meccanismi precisi di rigenerazione della perlite e di arricchimento di carbonio richiedono ulteriori verifiche incrociate basate sui dati relativi ai fili grezzi, al trattamento termico e all’atmosfera.
Questo caso dimostra che, per valutare i materiali destinati all’imbutitura a freddo, non basta chiedersi “qual è la durezza media”: occorre prestare attenzione anche a quale sia la microstruttura superficiale, a quali differenze presenti rispetto all’interno e se essa possa collaborare con la parte interna per soddisfare le deformazioni richieste dal prodotto.
Il Gruppo Creation Group assiste i clienti nell’analisi dei guasti mettendo in relazione l’aspetto delle fratture, la microstruttura e i dati prestazionali, formulando diagnosi fondate e verificabili, così da garantire obiettivi chiari per i successivi miglioramenti.
Osservare le fratture è solo il punto di partenza; spiegare perché si sono formate rappresenta il vero valore dell’analisi dei guasti.
Gruppo Creation Group · Aula degli ingegneri dell’imbutitura a freddo
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