Tempra Laser: che cos'è, come funziona, quali sono i metodi e i vantaggi

Il trattamento termico laser, noto anche come tempra laser, è un processo di modifica chimico fisica della superficie di un materiale, utilizzato per aumentare la resistenza all'usura o prolungare la durata di oggetti che vanno dagli utensili domestici alle parti delle automobili e comprendendo anche utensili dell'industria pesante.

La tempra laser è comunemente usata per materiali come l’acciaio e la ghisa. I laser trasformano le aree target sulle parti metalliche mediante riscaldamento localizzato controllato preservando le proprietà metallurgiche del materiale di base.

Come funziona la Tempra convenzionale

Il trattamento termico, o tempra comporta un riscaldamento e subito un raffreddamento rapido di una parte del metallo. Questo trasforma la struttura cristallina dell'acciaio con l’incorporazione di carbonio in modo da rendere il reticolo più duro del normale a temperatura ambiente.

Nella tempra industriale, l'obiettivo è indurire solo un sottile strato esterno. Il materiale base mantiene la sua forma cristallina originale, che è più flessibile, meno fragile e più duttile. Dato che l'indurimento viene in genere eseguito dopo che ad una parte è stata data una certa forma, la tempra idealmente non dovrebbe introdurre alcuna distorsione fisica della forma del pezzo.

Metodi di Diffusione e Indurimento Selettivo

In generale, le varie tecniche tradizionali possono essere suddivise in due grandi categorie, ovvero metodi di diffusione e metodi di indurimento selettivo.

Nelle tecniche di diffusione, come la cementazione, la nitrurazione e la carbonitrurazione, un acciaio a basso tenore di carbonio viene riscaldato in massa mentre è a contatto con una fonte esterna di carbonio o altri elementi e quindi la parte viene rapidamente raffreddata in un liquido.

L'indurimento selettivo viene invece eseguito su acciai che contengono già abbastanza carbonio libero per produrre la durezza desiderata quando integrati nel reticolo cristallino dell'acciaio. In questo caso al pezzo viene applicato un riscaldamento superficiale localizzato, tipicamente mediante fiamma, induzione elettrica, o appunto Laser, poi seguito da tempra.

Tecniche di Tempra Laser

Il trattamento termico laser è una tecnica di indurimento selettivo in cui un raggio laser spazialmente ben definito viene assorbito vicino alla superficie, causando un rapido riscaldamento del pezzo. Questo riscaldamento è limitato all'area colpita dal raggio e la penetrazione nel materiale è limitata.

Spesso il materiale base funge da dissipatore di calore, consentendo quindi l'autotempra. La capacità di definire con precisione l'area di lavorazione, insieme al breve lasso di tempo del trasferimento di energia nel materiale, sono alcuni dei principali vantaggi della tempra laser.

La tempra laser elimina dunque alcuni degli inconvenienti delle tecniche tradizionali. Ad esempio, l'indurimento eseguito alla fiamma è limitato considerate la scarsa riproducibilità, le scarse caratteristiche di tempra ed i problemi ambientali. Di conseguenza, l'indurimento alla fiamma è più adatto per componenti di dimensioni medio-grandi.

L'indurimento a induzione produce tipicamente una penetrazione termica più profonda, richiedendo così un raffreddamento attivo con acqua, e questi elementi possono portare a distorsioni indesiderate e incontrollabili.

Il processo di tempra laser è invece molto più semplice da progettare e mantenere in uso rispetto alla tempra a induzione grazie alla sua capacità di limitare facilmente il riscaldamento all'area irradiata e di raggiungere aree meccanicamente inaccessibili. Ciò consente di applicare prontamente il laser per il trattamento di pezzi dalle dimensioni e forme diverse senza la necessità di strumenti speciali progettati su misura.

Aspetti da considerare

• Materiale del substrato: solo i materiali sottoposti a tempra di trasformazione possono essere temprati con questo metodo: gli acciai al carbonio, gli acciai inossidabili ad alto tenore di carbonio, le ghise e i bronzi all’alluminio sono generalmente considerati temprabili.
• Finitura superficiale: l'assorbimento del raggio laser nel substrato deve essere accuratamente controllato; la rugosità e la finitura della superficie possono influenzare notevolmente la quantità di energia laser che viene riflessa, quindi le superfici estremamente riflettenti sono molto difficili da temprare al laser.
• Profondità della tempra: la tempra laser può essere utilizzata per produrre uno strato indurito fino a 1,5 mm nel materiale di base. In generale, un indurimento più profondo comporta durezze inferiori.
• Impatto e robustezza: la tempra laser è in grado di produrre microstrutture estremamente dure a volte superiori a 1000 Hv, con conseguente perdita di duttilità se l'applicazione richiede elevati livelli di tenacità, per la quale il rivestimento laser può essere un'opzione più adatta.

Tempra Laser CO2, a diodi diretti e fibra

Fino ad un decennio fa la maggior parte della tempra laser veniva eseguita con laser CO2. Sebbene questi siano strumenti eccellenti per una vasta gamma di compiti che richiedono energia estremamente intensa ed estremamente localizzata, come ad esempio taglio, saldatura e foratura, spesso non sono particolarmente adattati alle esigenze del trattamento termico.

Negli ultimi anni, i continui miglioramenti nella potenza di uscita, nell'affidabilità e nel costo dei laser a diodi diretti ad alta potenza li hanno resi un'alternativa interessante per le applicazioni di tempra laser, assieme ai laser fibra. Un vantaggio significativo dei laser a diodi diretti è che la loro emissione vicina all’infrarosso (tipicamente 808 nm o 975 nm) viene assorbita dall'acciaio in modo più efficiente.

La forma e le dimensioni del raggio laser a diodi diretti sono un altro vantaggio. Per la maggior parte delle applicazioni di tempra laser, il raggio illumina un'area più piccola dell'area totale da lavorare. Pertanto, o il pezzo da lavorare o il raggio viene traslato per ottenere una copertura totale.

I laser a diodi emettono naturalmente una forma del raggio estesa che si adatta bene in termini di dimensioni e distribuzione dell'intensità a molte attività di tempra e che può essere facilmente rimodellata per soddisfare i requisiti dimensionali di un'attività specifica.

L'efficienza del laser a diodi e a Fibra è circa tre o quattro volte superiore a quella del laser CO2. Questo si traduce direttamente in un minor costo di esercizio. Inoltre, il laser a diodi ha una capacità di "accensione" immediata. Un risparmio ancora maggiore deriva dalla riduzione dei costi di manutenzione e della contemporanea riduzione dei tempi di inattività per la manutenzione.

Vantaggi della tempra laser

Rispetto ad altri processi di tempra dunque, il laser offre numerosi vantaggi, che riassumiamo qui di seguito:

• Minor rischio di distorsione: nelle operazioni di tempra convenzionali, la combinazione di riscaldamento dell'intero pezzo o di un volume maggiore del pezzo e successive operazioni di tempra con liquido comporta un elevato rischio di distorsione e fessurazione nei pezzi lavorati. La tempra laser offre un apporto di energia preciso ed elimina la necessità di tempra con liquido. Il risultato è una distorsione minima o inesistente.
• Migliore compatibilità con componenti di piccole dimensioni: i laser consentono il controllo preciso della temperatura superficiale e della posizione del raggio. Questa capacità consente all'operatore di gestire in modo prevedibile l'apporto di calore, che è fondamentale per le operazioni di tempra ripetibili.
• Maggiore precisione: la tecnologia laser consente agli operatori di controllare la temperatura e il movimento del raggio con un alto grado di precisione.
• Costi di lavorazione inferiori: rispetto ad altri processi di cementazione come la tempra a fiamma e a induzione, la tempra laser è un processo senza contatto. Ciò elimina la necessità di costose fresature e molature successive alla tempra laser.
• Idoneità più ampia per le geometrie delle parti: alcuni metodi di tempra convenzionale hanno difficoltà a lavorare pezzi con geometrie complesse. Il metodo di tempra laser senza contatto può indurire selettivamente le superfici dei pezzi in lavorazione, indipendentemente dalla loro geometria.

Applicazioni della Tempra Laser

Il trattamento termico con laser è particolarmente utile quando la parte ha un'area superficiale specifica e limitata che deve essere temprata, come la parte superiore di un dente di ingranaggio, o se l'area da indurire è di difficile accesso, come la parte inferiore di un cilindro stretto.

Il processo è anche particolarmente conveniente con parti di alta precisione che sarebbero influenzate negativamente dalla distorsione meccanica sperimentata con i metodi di trattamento termico tradizionali.

Un tipico esempio in questo senso sono gli alberi di trasmissione utilizzati in una grande varietà di vetture. Spesso, varie aree dei cuscinetti di questi alberi devono essere temprate per migliorare le caratteristiche di usura, ma è fondamentale mantenere la forma della parte, altrimenti l'albero sarà sbilanciato durante la rotazione.

Altri esempi dell’uso della tempra laser sono il trattamento di varie macchine utensili, dei componenti del motore, delle pale delle turbine a vapore, degli stampi per iniezione plastica e dei bordi degli ingranaggi.