| Utensili da taglio: alla ricerca di prestazioni sempre più elevate. L'evoluzione dei rivestimenti e le nuove tecnologie di deposizione.
L'origine degli utensili. Fin dai tempi più remoti l'uomo si è adoperato per dotarsi di strumenti che gli consentissero di svolgere alcune operazioni essenziali per la sopravvivenza nel difficile ambiente in cui viveva. I primi utensili di pietra risalgono a 2/ 2,5 milioni di anni fa. Essi erano ottenuti percuotendo un sasso contro l'altro e utilizzando le schegge ricavate normalmente da quello più piccolo. Solo più tardi (un milione di anni fa), dopo la scoperta del fuoco, appaiono utensili bifacciali ottenuti con tecniche più raffinate, tali da ottenere un profilo tagliente più regolare e resistente. I materiali utilizzati sono di norma la selce o l'ossidiana, due tipi di pietra dura e facile da sagomare: si tratta per lo più di utensili da taglio. Più tardi ancora l'homo sapiens (200-100 mila anni fa) affina ulteriormente la tecnica di produzione, giungendo a produrre utensili di varia foggia. È soltanto con la scoperta dei metalli, come il rame (6000 a. C.) ed il ferro (3000 a. C.) che l'uomo compie un deciso passo avanti, utilizzando materiali facili da plasmare e dotati di discreta tenacità e resistenza all'usura.
L'esigenza di accrescere le prestazioni. Fin dalle origini si sviluppa la ricerca per ottenere, dai materiali che venivano utilizzati, i migliori risultati. Così per gli utensili in pietra veniva sfruttata la direzionalità delle stratificazioni, per ottenere utensili più facili da produrre e di maggiore efficienza. Per gli utensili in ferro vengono individuate tecniche di indurimento superficiale (attuali cementazione e tempra, 2000-1000 a. C.) o un grossolano e molto antico metodo di nitrurazione, ottenuto immergendo l'utensile caldo nell'urina di cavallo, ricca di composti azotati che, dissociandosi, sviluppavano il gas Azoto, formatore dei nitruri dall'effetto indurente.
Lo sviluppo dei materiali specifici per utensili nell'era moderna. Tra il XVIII e il XX secolo scompaiono le piccole unità produttive di materiali ferrosi basate sull'impiego di bassiforni e delle tecniche di pudellaggio; nascono al loro posto grossi complessi siderurgici a ciclo integrale dotati di altiforni, convertitori, forni Martin Siemens e unità di trasformazione. Quindi, all'inizio del XX secolo, vengono sviluppati gli acciai legati per utensili e nascono gli acciai rapidi; sono questi anche gli anni in cui si effettuano le prime applicazioni di metallurgia delle polveri. Ma è nella seconda metà del Novecento che, con la messa a punto delle tecniche di sinterizzazione dei carburi (metallo duro e Cermet) e di compattazione isostatica a caldo di polveri atomizzate (acciai rapidi da polveri o ceramiche), la realizzazione di materiali specifici per utensili conosce il suo pieno sviluppo.
Le tecniche di indurimento superficiale. Parallelamente allo sviluppo dei materiali per utensili, si assiste a quello di svariate tecniche di indurimento superficiale, volte a migliorarne le prestazioni, in particolare attraverso un incremento della resistenza all'usura. Si tratta di processi di tempra superficiale, cementazione, borurazione, cromatura, nichelatura e nitrurazione. Con quest'ultima, consistente nell'arricchimento con azoto della matrice metallica superficiale dell'utensile, si ottiene la formazione di nitruri metallici che ne incrementano sensibilmente la durezza per una profondità di alcune decimi di millimetro. Fino all'avvento dei rivestimenti in fase vapore, la nitrurazione rappresentava il metodo più efficace e più sfruttato di indurimento superficiale. Essa viene effettuata utilizzando principi diversi che ne hanno determinato le denominazioni: · nitrurazione gassosa · nitrurazione in bagno di sali · nitrurazione morbida · nitrurazione ionica · nitrurazione al plasma. In ogni caso, oltre alla presenza di azoto, elementi fondamentali per lo svolgimento del processo sono la temperatura (fino a 500° C circa) e tempi lunghi di permanenza (fino ad alcune decine di ore).
Una svolta fondamentale: i depositi in fase vapore CVD e PVD. Nella seconda metà del nostro secolo, la ricerca di soluzioni migliorative degli utensili, da taglio in particolare, ha portato allo sviluppo delle tecniche di deposizione in fase vapore. Si è così reso possibile un deciso incremento della durata degli utensili, che in genere viene utilizzato per aumentare la produttività, ottenendo anche un miglioramento della qualità del prodotto lavorato, un'economia dei consumi energetici e di gestione del sistema produttivo (diminuzione del tempo complessivo di fermo macchina, miglior conservazione degli utensili nel tempo, risparmio sui lubrorefrigeranti). In pratica si tratta di depositare sulla superficie di lavoro dell'utensile, opportunamente preparata, uno strato assai sottile (in genere non superiore a 5 microns) e bene aderente di un materiale dotato di caratteristiche speciali che sono: elevata durezza (da 1500 a 3500 Hv0,5); basso coefficiente di attrito (0,3/0,4); scarsa affinità chimica per la maggior parte dei metalli; buona resistenza alla corrosione. La deposizione può avvenire utilizzando due tecnologie diverse per produrre la fase vapore, sviluppatesi quasi contemporaneamente: la tecnologia CVD e la tecnologia PVD. Il processo CVD (Chemical Vapour Deposition), ovvero di deposizione per via chimica, presenta numerosi vantaggi: garantisce buona adesione, consente di ottenere spessori elevati ed uniformi, permette di rivestire anche geometrie complesse (come fori ciechi) e di ottenere con facilità strati chimicamente diversi. Certo, di contro richiede temperature elevate (800-1000° C), sviluppa prodotti di reazione a forte impatto ambientale, necessita di elevati tempi di ciclo (a causa della bassa velocità di deposizione) e presenta pericolo di deformazione per gli acciai (essendo necessario ripetere il trattamento termico sottovuoto). Il processo PVD (Phisical Vapour Deposition), ovvero di deposizione per via fisica, può essere effettuato a basse temperature (max 500° C circa), garantisce una alta velocità di deposizione e un minimo impatto ambientale, oltre a un migliore controllo della struttura e delle tolleranze dell'utensile; inoltre permette di variare facilmente la composizione degli strati. Anch'esso, naturalmente, presenta qualche svantaggio, quale una minore adesione alle temperature più basse ed una certa difficoltà a depositare materiali a basso punto di fusione e a rivestire fori o geometrie complesse. Tuttavia, proprio per le sue caratteristiche, il processo PVD ha trovato la più ampia applicazione nel campo degli utensili da taglio integrali.
Le soluzioni impiantistiche del processo PDV. Volendo limitare il discorso agli utensili da taglio, gli operatori del settore si sono rivolti fondamentalmente a due tipi di impiantistica diversi. Forni a catodo cavo vantaggi: strati molto compatti; assenza di granulosità; deposito ?puro». svantaggi: scarsa flessibilità; difficoltà a depositare leghe; spessori non elevati. Forni ad arco catodico vantaggi: possibilità di realizzare spessori maggiori; flessibilità nella variazione dei depositi; adesione di livello elevato. svantaggi: difficoltà a depositare materiali a basso punto di fusione; possibile presenza di difetti nello strato.
Rivestimenti e applicazioni: le opportunità del sistema. Nella tabella 1 sono stati riportati i tipi di rivestimento che finora hanno avuto maggiore diffusione nel settore dell'utensileria da taglio con le loro principali caratteristiche. È da notare che il TiN presenta caratteristiche di modulo elastico e di dilatazione termica che meno si discostano da quelle dell'acciaio rapido di riferimento (AISI M2), il che significa che tra tutti i rivestimenti è quello che più facilmente può adattarsi alle piccole deformazioni che si presentano sul pezzo rivestito in fase di lavoro, questo ne giustifica la larga diffusione. Infatti, prendendo in esame i principali settori applicativi dei rivestimenti, possiamo vedere come il TiN abbia un campo di applicazione assai ampio (Tabella 2).
Nuove tendenze. Mentre continua la richiesta di migliorare le prestazioni dei rivestimenti per aumentare la produttività degli utensili da taglio, stanno emergendo nuove esigenze riguardanti la riduzione dei costi delle lavorazioni meccaniche e la tutela dell'ambiente. Una parte infatti consistente del costo di lavorazione meccanica (circa il 15%) è rappresentata dalle spese di acquisto, gestione e smaltimento dei lubrorefrigeranti, il cui utilizzo può rappresentare anche una minaccia per la salute degli addetti, oltre che per l'ambiente. Nasce quindi una domanda sempre maggiore di soluzioni che consentano di ridurre od eliminare l'utilizzo di questi prodotti, lasciando inalterato l'aumento di produttività degli utensili. Il settore dei rivestimenti sta rispondendo a queste spinte con nuovi prodotti messi a punto recentemente, grazie alle opportunità offerte dalla versatilità delle nuove tecnologie di deposizione (Arco Catodico) che si basano sulla possibilità di ottenere: · strutture metastabili capaci di ritardare il degrado dello strato (es. Ti2N) · multistrati che possano rispondere alle diverse esigenze di impiego con caratteristiche differenziate · rivestimenti con effetto lubrificante al MoS2 che possono essere impiegati da soli o in abbinamento agli altri rivestimenti. È naturale che la richiesta di prodotti sempre migliori non avrà sosta nel futuro. Le risposte più appropriate verranno date dalle aziende dotate di impianti e strutture adeguate a rimanere al passo delle tecnologie innovative nel campo delle lavorazioni con utensili da taglio.
Giuseppe Sapegno Andrea Rosini |
Consorzio Distributori Utensili
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