La Pallinatura (Shot Peening)

Si definisce pallinatura controllata (in inglese shot peening) ed è un trattamento meccanico da applicare alla superficie di un componente metallico per elevarne la resistenza a fatica. Si tratta di un processo tecnologico che negli ultimi decenni ha subito forti affinamenti, soprattutto nei sistemi di controllo dei parametri al fine di garantire costanza e ripetibilità del risultato, condizione fondamentale quando si tratta di componenti di elevato valore utilizzati per impieghi critici.

Bastava un martello

Come spesso accade, il processo di “pallinatura”, pur se in forma grossolana, era già conosciuto negli anni Venti e Trenta, agli albori della metallurgia. Nella forgiatura delle “foglie” delle balestre, ad esempio, era pratica comune martellare con una testina sferica le superfici per aumentarne la compattezza e la resistenza alla trazione. Una sorta di levigatura senza asportazione di materiale ottenuta per ricalcatura del metallo. Lo stesso valeva per la superficie del filo d’acciaio per molle, tipico esempio di organo meccanico sottoposto a “fatica”, ovvero stress alternati (non necessariamente elevati in valore assoluto) e ripetuti con elevata frequenza, ovvero molti cicli di lavoro. Occorre precisare che col termine fatica si includono sia i fenomeni derivati da pura sollecitazione meccanica sia quelli derivati da forti variazioni termiche. Ma il fenomeno della fatica era già stato osservato fin dalla metà dell’Ottocento per giustificare rotture di componenti ferroviari sottoposti a lunghe percorrenze con carichi variabili.

Evidenti rotture per fatica possono avvenire poi in presenza di pitting, ovvero quel fenomeno che genera irregolarità superficiali nei denti degli ingranaggi o tra sfere e guide dei cuscinetti volventi in presenza di elevate pressioni di contatto, oppure di scoring, ovvero il consumo tra parti che strisciano una sull’altra a causa, ad esempio, di vibrazioni o variazioni termiche che generano irregolarità superficiali tali da innescare microrotture.

Quanto sopra evidenzia che il meccanismo della rottura per fatica di un componente meccanico metallico parte da una difettosità superficiale, sia essa dovuta alla finitura, al processo di trasformazione, alla finitura o alla costituzione stessa del materiale. La struttura dei materiali metallici è in genere policristallina e in ciascun grano gli atomi sono disposti in piani atomici ordinati. La difettosità derivante dal processo di trasformazione aumenta la possibilità di scorrimento dei piani atomici e la deformazione tra i grani contigui. Questo fenomeno porta a una progressiva alterazione della superficie con la generazione di bande di intrusione ed estrusione attorno alle quali si concentrano le tensioni. Si tratta di micro-cricche che sotto un carico ciclico si propagano in profondità e riducono progressivamente la sezione resistente fino alla rottura.

La pallinatura controllata

E’ noto come un’accurata lucidatura delle superfici dei componenti meccanici soggetti a carichi ciclici ne aumenti la resistenza a fatica. Qualunque superficie lavorata, osservata sotto un microscopio a forte ingrandimento presenta delle irregolarità assimilabili a micro cricche che rappresentano un potenziale punto di innesco della rottura. La superfinitura tende ad eliminare queste “creste” rendendo il più possibile omogenea la superficie. La misura del grado di finitura, ovvero la rugosità superficiale, si esprime in Ra che indica la media aritmetica delle deviazioni (picchi e cavità) dal profilo reale, presi in valore assoluto, rispetto a una linea media, misurata su una lunghezza di riferimento L. In pratica Ra è l’altezza di un rettangolo di base L.

 dove z1… zn sono i valori assoluti dei picchi e delle valli rilevati nel tratto misurato.

Esprimendo lo stesso concetto sottoforma di integrale

dove ⎢z⎢dx sono le areole infinitesime integrate su un tratto lungo L.

L’unità di misura della rugosità è espressa in ㎛ (micron=millesimi di millimetro) e può andare da 0,025 per superfici lappate, lucidate e, in generale, superfinite, a 0,2-0,8 per superfici elettroerose (finitura migliore) oppure rettificate. Una superficie tornita o fresata parte da 0,8.

La rugosità si misura con un rugosimetro tipicamente costituito da un tastatore con una punta conica in diamante con raggio di 5 ㎛.

La pallinatura estende il concetto di finitura superficiale. Non c’è l’asportazione delle irregolarità tipica delle altre finiture ma sono esse stesse a essere deformate per compattare la superficie. Lo shot peening può essere applicato a parti cementate, nitrurate e bonificate, ma anche alle leghe d’alluminio come l’ergal e al titanio. Il trattamento può raggiungere anche profondità relativamente elevate. Il processo avviene a freddo e consiste nel colpire la superficie da trattare con un getto di pallini di dimensioni ben definite a velocità tra 20 e 120 m/s. o anche maggiori, secondo necessità. L’impatto del pallino (tipicamente sferico in acciaio, ma anche in ceramica o vetro) causa lo scorrimento plastico delle fibre superficiali e può arrivare ad interessare fino ad alcuni decimi di millimetro. Ovviamente il fenomeno è circoscritto alla “pelle” del pezzo, mantenendo inalterato lo strato più interno. Le fibre pallinate tendono ad allungarsi e la loro tensione è bilanciata dalle fibre non deformate per cui la risultante è uno stato di compressione residua. Questo effetto, insieme al miglioramento della finitura derivata dalla compattazione, determina la maggior resistenza a fatica del pezzo.

La SM (www.sm-instruments.cpm) è un’azienda specializzata nella realizzazione di rugosimetri da banco e portatili.

Il rugoprofilometro RT-120 della SM unisce in un unico apparecchio la misura della rugosiità e del profilo. In questo modo la rilevazione geometrica e subito affiancata dal dato di rugosità. Il profilo può poi essere confrontato con un profilo “master” di riferimento per riscontrare eventuali deviazioni. I rugosimetri e le macchine di misura si stanno evolvendo per poter essere utilizzate direttamente in produzione, con software sempre più facili da gestire e sicuri nelle prestazioni, anche in condizioni di utilizzo non ideali.

Un tastatore che rileva la rugosità superficiale di una vite a circolazione di sfere.

 

Il processo

I parametri di processo dipendono dalle caratteristiche del pezzo da pallinare, ma il risultato è influenzato da un elevato numero di variabili che possono così essere riassunte:

–       tipologia della macchina

–       diametro dell’ugello

–       distanza tra ugello e pezzo

–       portata dei pallini

–       natura, durezza, densità e diametro dei pallini

–       caratteristiche geometriche e meccaniche dei pallini

–       angolo di impatto

–       tasso di copertura

 

Lo shot penning è un processo complesso e non deve essere confuso con lo shot blasting (comunemente conosciuto come sabbiatura) il cui scopo non è strutturale ma sostanzialmente quello di pulire e rifinire la superficie trattata. Un processo così importante deve essere ripetibile ed è stato possibile standardizzando tre parametri fondamentali:

–       tipo di pallino (dimensione, natura, geometria, durezza)

–       intensità di pallinatura

–       tasso di copertura

L’analisi della dinamica dello shot peening suggerisce pallini di forma sferica che deve rimanere il più possibile tale per tutta la durata del processo. Per questo è necessario che le machine operatrici abbiano dei dispositivi atti a tenere sotto controllo la forma dei pallini e siano in grado di separare quelli conformi da quelli rotti o scheggiati. Un setaccio deve poi eliminare anche i pallini che non abbiano più un diametro conforme. Le sferette possono essere in acciaio, vetro o ceramica. Questi ultimi sono indicati per il trattamento di leghe d’alluminio, magnesio e titanio.

 Un’immagine ingrandita al microscopio che mostra dei pallini in buone condizioni.

Pallini in queste condizioni non sono accettabili. Le macchine più evolute sono in grado di selezionare i pallini non conformi e scartarli, offrendo la massima garanzia di qualità del trattamento.

L’intensità di pallinatura viene misurata e controllata su appositi provini unificati. L’intensità è misurata in Almen, dal nome dell’ideatore della prova John Almen, su tre diverse scale: Almen N per debole intensità (shot peening con sfere in vetro o ceramica), Almen A, media intensità (sfere in acciaio) e Almen C, forte intensità. Ogni scala prevede un provino in acciaio di diverso spessore e durezza pari a circa 45 HRC.

Il provino fissato a un supporto e sottoposto al trattamento assume una curvatura convessa sulla faccia pallinata.  L’inflessione del provino varia in funzione del tempo di esposizione secondo una curva che prende il nome di “Curva di Saturazione”. In un primo tratto la freccia aumenta rapidamente con il tempo di esposizione; il fennomeno si attenua progressivamente, tendendo a un valore limite. Si definisce intensità di pallinatura  tipica di un getto quella corrispondente a quel valore di freccia tale per cui raddoppiando il tempo di esposizione la freccia non vari più del 10%. La curva di saturazione si costruisce secondo un metodo standardizzato che prevede l’uso di un numero minimo di 4 provini.

Un esempio di curva di saturazione. Sono evidenziati i punti T1, T2 e Int.1, Int.2 che delimitano l’area di definizione dell’intensità di pallinatura, come spiegato nel testo.

 

Il tasso di copertura è definito come il rapporto tra la superficie sulla quale effettivamente agisce il contatto con la graniglia e quella totale investita dal bombardamento. Il suo controllo avviene per via sperimentale, visualizzando una zona critica sotto un microscopio con 20 – 50X ingrandimenti e l’ausilio di liquidi fluorescenti.

Un’immagine ingrandita al microscopio ottico che mostra una superficie non totalmente coperta.

In questo caso la superficie è da ritenersi totalmente coperta.

 

Le tensioni residue

L’allungamento degli strati superficiali causati dall’impronta dei pallini e la plasticizzazione degli strati sub-superficiali per effetto dei fenomeni hertziani sono i due fenomeni che creano tensioni residue di compressione nello strato superficiale di un pezzo sottoposto a shot peening. Questa compressione fa si che la propagazione verso l’interno delle micro-criccature sia ritardata o bloccata.

 

L’andamento delle tensioni in un pezzo sottoposto a flessione semplice.

 

L’andamento delle flessioni in un pezzo pallinato varia per effetto delle tensioni indotte dal trattamento.

 

Un pezzo pallinato e sottoposto a flessione ha un andamento delle tensioni che segue questo modello. Evidente la variazione locale delle tensioni di trazione.

 

La tensione residua fa si che la propagazione della cricca sia ostacolata.

 

Le tensioni residue possono essere misurate in modo non distruttivo mediante diffrattometria a raggi X (XRD X Ray Diffraction) che si basa sull’analisi di un raggio incidente su un cristallo e quello riflesso/diffratto per ricavare, attraverso un algoritmo matematico, un valore della tensione residua. C’è anche una tecnica più invasiva denominata BHD (Blind Hole Drilling) che consiste nell’applicazione di una speciale rosetta dotata di tre strain gage al centro della quale viene praticato un foro cieco di circa 2 mm di diametro che penetra nel materiale da analizzare per circa 1 mm. Gli allungamenti rilevati sono poi correlati matematicamente alle tensioni in misura.

 

Le applicazioni

La pallinatura controllata può essere applicata a numerosi componenti impiegati nei motori  e in generale nelle strutture sottoposte a fatica. Le molle sono un tipico esempio applicativo dello shot peening. Lo stesso dicasi per le bielle la cui geometria crea numerose variazioni brusche di sezioni che possono generare evidenti effetti di intaglio, situazione nella quale la pallinatura controllato ha dimostrato eccellente efficacia. Le zone in cui ci sono bruschi cambi di sezione negli alberi motore e negli alberi di trasmissione sono altre zone dove può essere concentrata l’azione dello shot peening. Infine le saldature, che per natura impongono tensioni superficiali residue di trazione, possono anch’esse beneficiare di questo trattamento.

Le ruote dentate sono forse gli organi meccanici sui quali lo shot peening ha più larga applicazione. In questo caso si ha un miglioramento del pitting, della tenuta a fatica della radice del dente e un miglioramento della lubrificazione per effetto celle microampolle di lubrificante che restano tra le rugosità generate.

 

Un caso reale

La pallinatura controllata può essere applicata a numerosi componenti impiegati nei motori  e in generale nelle strutture sottoposte a fatica. Le molle sono un tipico esempio applicativo dello shot peening. Lo stesso dicasi per le bielle la cui geometria crea numerose variazioni brusche di sezioni che possono generare evidenti effetti di intaglio, situazione nella quale la pallinatura controllato ha dimostrato eccellente efficacia. Le zone in cui ci sono bruschi cambi di sezione negli alberi motore e negli alberi di trasmissione sono altre zone dove può essere concentrata l’azione dello shot peening. Infine le saldature, che per natura impongono tensioni superficiali residue di trazione, possono anch’esse beneficiare di questo trattamento.

Le ruote dentate sono forse gli organi meccanici sui quali lo shot peening ha più larga applicazione. In questo caso si ha un miglioramento del pitting, della tenuta a fatica della radice del dente e un miglioramento della lubrificazione per effetto celle microampolle di lubrificante che restano tra le rugosità generate.

 

Riferimenti:

Norblast (www.norblast.it)

PeenService (www.peenservice.it)

SM (www.sm-instruments.com)

Avatar

franco daudo

Redazione: Moto Tecnica Moto Storiche & d'Epoca