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Metallografia degli elementi di fissaggio metallici

A causa della loro geometria complessa, gli elementi di fissaggio metallici come bulloni, viti, perni e rivetti possono rappresentare una sfida anche per il metallografo più esperto. In questa nota applicativa sono illustrati metodi e tecniche collaudati per la preparazione dei dispositivi di fissaggio metallici per le prove metallografiche, comprese quelle sui bulloni.

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Elementi di fissaggio: una parte essenziale di molti componenti industriali

I dispositivi di fissaggio in metallo vengono utilizzati in molte applicazioni per fissare parti e componenti. Questi elementi sono spesso fondamentali per la sicurezza delle strutture. Pertanto, i fissaggi metallici sono un obiettivo molto comune nei test metallografici, sia nei processi che nel controllo qualità.

La metallografia può essere utilizzata per controlli a campione delle materie prime, monitoraggio e verifica del processo di produzione, per l'analisi dei guasti o per il collaudo dei bulloni. I test metallografici eseguiti sugli elementi di fissaggio metallici spaziano dalla verifica dimensionale all'esame strutturale e all'analisi quantitativa.

Tecnologia degli elementi di fissaggio

La tecnologia dei fissaggi comprende un'ampia gamma di elementi. Dispositivi di fissaggio in metallo, come bulloni, viti, perni e rivetti, possono essere suddivisi in due grandi gruppi.
  • Elementi di fissaggio filettati, come bulloni, dadi e viti.
  • Elementi di fissaggio non filettati, come rivetti e perni.

La scelta della soluzione e del materiale di fissaggio dipende dai requisiti dell'applicazione, tra cui resistenza, torsione e condizioni ambientali. Materiali e applicazioni comuni degli elementi di fissaggio:

Materiale dell'elemento di fissaggio Applicazioni comuni
Acciaio al carbonio e a basso tenore di carbonio Soluzioni di fissaggio per applicazioni generali
Acciaio ad alta resistenza Edilizia e ingegneria meccanica
Acciaio inossidabile Soluzioni di fissaggio ad alta resistenza alla corrosione
Nickel e cobalto Soluzioni di fissaggio per applicazioni ad alta temperatura
Titanio Settore aeronautico, medicale e alimentare
Ottone e rame Guide e finiture decorative

Guide e finiture decorative

Il metallografo deve affrontare due sfide principali durante la preparazione degli elementi metallici per l'analisi metallografica.

Taglio/sezionamento: Le dimensioni e la forma del fissaggio metallico possono creare problemi durante il serraggio per il taglio trasversale.

Elementi di fissaggio
Fig. 1: Tagliare l'eccesso della testa della vite prima dell'inglobamento

Inglobamento: I gap di contrazione su filettatura e testa del fissaggio metallico possono impedire una buona ritenzione dei bordi e rendere difficile la pulizia del campione.

Elementi di fissaggio
Fig. 2: Filettatura, colorazione dai gap di contrazione

Per una descrizione completa su come superare queste sfide, scaricare la nota applicativa completa.

Produzione e tecnologia degli elementi di fissaggio

Gli elementi di fissaggio metallici semplici, non filettati, come perni e aste, sono una delle tecnologie di fissaggio più antiche. I rivetti, le viti e i bulloni filettati arrivarono più tardi e furono inizialmente realizzati con metalli preziosi.

Uno dei maggiori sviluppi nella tecnologia degli elementi di fissaggio è stato l'avvento di metalli duttili in grado di resistere alla pressione associata alla compressione e la laminazione. In questa fase per la produzione in serie di elementi di fissaggio in metallo, è stata adottata la formatura a freddo. Oggi la formatura senza trucioli (laminazione) è ampiamente utilizzata, a volte mediante pressatura a freddo o a caldo.

Formatura a freddo di elementi di fissaggio metallici
Lo stampaggio a freddo è di gran lunga il metodo più comune per produrre elementi di fissaggio in metallo. Un filo continuo viene alimentato in una pressa di estrusione. Una matrice viene poi utilizzata per comprimere il filo e ridurne il diametro, fino a ottenere la forma corretta. I filetti sono formati mediante laminazione a freddo. In alcuni casi, la tempra a induzione viene utilizzata per aumentare la durezza superficiale dell'elemento di fissaggio metallico.

  • Per gli elementi di fissaggio in acciaio di alta qualità, vengono utilizzati diversi trattamenti termici per ottenere proprietà specifiche del materiale.
  • Gli acciai a basso tenore di carbonio vengono carburati per creare una superficie dura con un centro tenero e duttile.
  • Gli acciai al carbonio sono temprati e rinvenuti.
  • Dopo la formatura iniziale è possibile lavorare viti da costruzione di altissima qualità per ottenere forme, tolleranze e superfici specifiche.

Formatura a caldo di elementi di fissaggio metallici
La formatura a caldo può ancora essere utilizzata per bulloni metallici molto grandi o di forma complessa.

Protezione dalla corrosione degli elementi di fissaggio metallici
Per una migliore protezione contro la corrosione, gli elementi di fissaggio possono essere rivestiti con fosfati di manganese, zinco o ferro e poi oliati. Per una protezione ancora maggiore dalla corrosione, gli elementi di fissaggio metallici possono essere zincati con zinco e cadmio o cromati, oppure rivestiti con deposizione di vapore con cadmio e alluminio.

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Per una descrizione dettagliata dei diversi processi e tecnologie coinvolti nella produzione di elementi di fissaggio in metallo, scaricare la Nota applicativa completa.

Elementi di fissaggio
Fig. 3: L'intestazione a freddo è un'operazione di base in cui la vergella tonda viene modellata nella forma richiesta, quando è ancora "fredda". L'operazione deve mantenere la continuità dei grani per assicurare la totale integrità del fissaggio metallico.

Elementi di fissaggio
Fig. 4: Nella laminazione dei filetti, uno stelo viene rullato tra due matrici piane con scanalature parallele precise. Nelle operazioni a freddo o a caldo, i filetti laminati sono resistenti e lisci, senza spreco di materiale.

Consigli per il taglio e inglobamento di elementi di fissaggio metallici

La sfida principale nella preparazione degli elementi di fissaggio metallici per test metallografici, compresi quelli sui bulloni, è la geometria. A causa della testa sporgente, può essere difficile serrare saldamente un elemento per eseguire un taglio trasversale. Inoltre, la testa curva e la filettatura possono gap da contrazione durante l'inglobamento. Ciò è particolarmente importante per i metalli rivestiti, in quanto il rivestimento dell'elemento di fissaggio non può essere esaminato correttamente senza una buona ritenzione dei bordi.

Di seguito, sono riportati alcuni consigli per superare queste sfide. Per una descrizione più approfondita sulla preparazione degli elementi di fissaggio metallici per l'analisi metallografica e il collaudo dei bulloni, scaricare la nota applicativa completa.

Taglio/Sezionamento: Come serrare saldamente gli elementi di fissaggio metallici
  • Per viti e bulloni di medi o fini è possibile realizzare uno speciale portafilo per fissare la vite o il bullone durante il sezionamento.
  • Per viti, rivetti e bulloni più piccoli, rifilare la testa da un lato in modo che l'elemento di fissaggio possa appiattirsi. Dopo l'inglobamento, prelevigare l'elemento al centro.

Inglobamento: Come evitare fessure da ritiro nei campioni di elementi di fissaggio metallici
  • Per l' inglobamento a caldo, utilizzare l'inglobamento a compressione o resine contenenti materiale di riempimento duro, come DuroFast, PolyFast o LevoFast.
  • Per l' inglobamento a freddo, utilizzare resine epossidiche come Epofix, per un minor ritiro.
  • Prima dell'inglobamento, pulire accuratamente il campione con un agente sgrassante.
  • Le viti e i bulloni molto piccoli devono essere inglobati utilizzando un pezzo di metallo o di plastica come una zeppa. Prelevigare quindi l'elemento di fissaggio al centro.

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Elementi di fissaggio
Fig. 5: Supporto speciale per viti e bulloni filettati.

Consigli per la prelevigatura e lucidatura degli elementi di fissaggio metallici

La preparazione degli elementi di fissaggio per test metallografici, potrebbe richiedere la prelevigatura grossolana del campione fino al centro. Questa operazione può essere eseguita su una prelevigatrice automatica utilizzando una mola. Scegliere il metodo di prelevigatura e lucidatura in base al materiale dell'elemento di fissaggio.

Nel corso degli anni, Struers ha sviluppato metodi di preparazione specifici per molte soluzioni, materiali e applicazioni di fissaggio, compresi i test sui bulloni. Nella nota applicativa completa, troverete metodi di preparazione collaudati passo-passo, per la prelevigatura e lucidatura di bulloni in acciaio legato e viti in ottone.

Ulteriori informazioni sulla prelevigatura e lucidatura
Elementi di fissaggio
Fig 6.: Test dei bulloni: A sinistra una spaccatura nella testa di un bullone in acciaio di carbonio causata da una saldatura, e a destra una sezione trasversale della saldatura sul bullone attaccata con Nital al 3%.

Elementi di fissaggio
* Valore per 6 campioni inglobati, diametro 30 mm. Serrati in un supporto.

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* Valore per 6 campioni inglobati, diametro 30 mm. Serrati in un supporto.

Attacco di elementi di fissaggio metallici

Quando si preparano gli elementi di fissaggio metallici per l'analisi metallografica, scegliere la soluzione e il metodo di attacco in base al tipo di metallo dell'elemento di fissaggio.

Interpretazione dei risultati

Molti difetti meccanici, come bave, crepe e pieghe, possono essere rilevati attraverso l'ispezione visiva o con metodi non distruttivi. Tuttavia, per stabilire la profondità di un difetto può essere necessaria un'ulteriore preparazione metallografica.
  • I difetti microstrutturali sono solitamente causati dal trattamento termico, come il surriscaldamento, l'ingrossamento dei grani o la decarburazione.
  • Le fratture sono spesso il risultato di un'esposizione prolungata a sollecitazioni, quali flessione, deformazione e cicli termici.

Elementi di fissaggio
Fig. 7: Bordi dei grani fusi causati dal surriscaldamento. Lega a base di nichel, attaccata con Kalling modificato.

Materialografia degli elementi di fissaggio metallici

I dispositivi di fissaggio metallici filettati e non filettati, come perni e bulloni, sono una delle tecnologie di fissaggio più antiche. Gli elementi di fissaggio metallici sono ancora oggi ampiamente utilizzati per il fissaggio di parti e componenti. Pertanto, i test su elementi di fissaggio e bulloni sono procedure molto comuni per i metallografi.

I test metallografici vengono solitamente eseguiti per verificare la presenza di danni meccanici e termici causati dalla produzione e dal trattamento termico successivo.

Le sfide principali nella preparazione degli elementi di fissaggio per i test metallografici sono causate dalla geometria. La forma della testa può rendere difficile serrare saldamente l'elemento di fissaggio durante il processo di taglio, mentre le filettature possono creare spazi da contrazione durante l'inglobamento. Queste sfide possono essere superate attraverso l'uso di tecniche e/o strumenti di preparazione specifici. La scelta del metodo di prelevigatura, lucidatura e attacco deve basarsi sul materiale dell'elemento di fissaggio.

Scaricate la nota applicativa per una descrizione completa sulla preparazione per test di elementi di fissaggio e bulloni, incluso un metodo di preparazione passo-passo per la prelevigatura e la lucidatura di bulloni in acciaio legato e viti in ottone.

Elementi di fissaggio
Fig. 8: La sezione del filetto mostra la decarburazione, con attacco nital al 5 %.

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Holger Schnarr

Tutte le immagini sono di Birgitte Nielsen, Specialista delle applicazioni, Danimarca
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