Come Misurare le Durezze e le Profondità

La misurazione della durezza e della profondità dei trattamenti termici è fondamentale per garantire la qualità e le prestazioni dei materiali trattati. In questo articolo, analizzeremo i diversi metodi di misurazione della durezza, le tecniche per determinare la profondità dei trattamenti termici e come queste pratiche influenzano le caratteristiche meccaniche dei materiali.

Cos’è la durezza e perché è importante?

La durezza è la resistenza di un materiale alla deformazione permanente, solitamente determinata tramite prove meccaniche. È un parametro chiave nei trattamenti termici, poiché influisce su usura, resistenza e durata del materiale.

Metodi di misurazione della durezza

1. Metodo Brinell (HB)

Utilizzato per materiali metallici più teneri, il metodo Brinell impiega una sfera d’acciaio temprato o di carburo di tungsteno per determinare la durezza tramite l’impronta lasciata sul materiale.

2. Metodo Rockwell (HR)

Uno dei metodi più comuni, utilizza differenti penetratori (cono di diamante o sfere d’acciaio) e scale per misurare la durezza di vari materiali.

3. Metodo Vickers (HV)

Ideale per materiali sottili e piccoli componenti, utilizza un penetratore a forma di piramide di diamante e calcola la durezza in base alla diagonale dell’impronta.

4. Metodo Knoop (HK)

Simile al metodo Vickers, ma usato principalmente per materiali molto sottili e microdurezze.

5. Metodo Mohs

Sistema qualitativo che classifica i materiali in base alla loro capacità di essere scalfiti da altri materiali.

6. Metodo Shore (HS)

Utilizzato per gomme e materiali polimerici, misura la resistenza alla penetrazione tramite un durometro.

Misurazione della profondità dei trattamenti termici

Dopo il trattamento termico, è essenziale determinare la profondità della zona trattata per garantire prestazioni ottimali. I principali metodi includono:

1. Microdurezza

Attraverso misurazioni con metodo Vickers o Knoop a diverse profondità, è possibile determinare la profondità effettiva del trattamento.

2. Analisi metallografica

Si eseguono sezioni trasversali del materiale trattato per esaminare le microstrutture e determinare la profondità della trasformazione.

3. Ultrasuoni e correnti parassite

Tecniche non distruttive che consentono di valutare la profondità di tempra e cementazione senza danneggiare il componente.

Quando è necessario e su che tipo di acciaio

La misurazione della durezza e della profondità del trattamento termico è necessaria nei settori industriali in cui le proprietà meccaniche del materiale devono essere garantite con precisione. È particolarmente utile per:

Acciai al carbonio e legati: utilizzati in ingranaggi, alberi e componenti strutturali soggetti a elevato stress meccanico.
Acciai inossidabili: per verificare la durezza dopo il trattamento di solubilizzazione o indurimento.
Acciai da utensili: nei quali la durezza superficiale deve essere elevata per resistere all’usura.
Acciai cementati o nitrurati: per determinare la profondità della tempra o della nitrurazione e garantire che la superficie trattata abbia le caratteristiche desiderate.

Nel contesto dei trattamenti termici, la profondità di trattamento, ovvero la profondità alla quale si verifica una modifica significativa delle proprietà del materiale, viene spesso abbreviata con “ED” (Effective Depth, profondità efficace) o “CHD” (Case Hardening Depth, profondità di cementazione/indurimento).

Le abbreviazioni possono variare in base al tipo di trattamento:

ED (Effective Depth) → Indica la profondità alla quale il materiale ha raggiunto le proprietà desiderate (es. durezza minima richiesta).
EHT (Effective Hardening Depth) – Profondità efficace di indurimento, definita dalla norma ISO 18203, rappresenta la profondità alla quale il materiale mantiene una durezza minima specificata dopo un trattamento di tempra.
CHD (Case Hardening Depth) – Profondità di cementazione, definita dalla norma ISO 2639, si riferisce alla profondità dello strato indurito dopo un trattamento di cementazione.
NHD (Nitrided Hardness Depth) – Profondità di indurimento per nitrurazione, regolata dalla norma ISO 18203, indica la profondità alla quale si mantiene una durezza specifica dopo la nitrurazione.

La norma ISO 18203:2016 (Steel — Determination of the thickness of a hardened layer) è quella di riferimento per il calcolo della profondità efficace dopo un trattamento termico.

Questa norma definisce i metodi per determinare la profondità dello strato indurito in acciai sottoposti a diversi trattamenti termici come:

Tempra e rinvenimento → Profondità di indurimento efficace (EHT – Effective Hardening Depth).
Cementazione → Profondità di cementazione (CHD – Case Hardening Depth) secondo ISO 2639.
Nitrurazione → Profondità di nitrurazione (NHD – Nitrided Hardness Depth).

Metodo di calcolo

La profondità efficace viene generalmente determinata con prove di durezza (come Vickers, Rockwell o microdurezze) lungo una sezione trasversale del pezzo trattato. La profondità efficace (ED) corrisponde alla distanza dalla superficie fino al punto in cui la durezza scende sotto un valore specificato (es. 550 HV per cementazione).

Le norme ISO che regolano i criteri di profondità efficace nei trattamenti termici con soglie di durezza specifiche, come “550 HV” per cementazione e “ $HV NHD = HV core +100″$ per nitrurazione, sono le seguenti:

ISO 2639:2002 – Determination of the depth of carburized and hardened cases
- Regola la profondità efficace di cementazione (CHD – Case Hardening Depth).
- La profondità è misurata fino al punto in cui la durezza scende sotto 550 HV.
ISO 18203:2016 – Steel — Determination of the thickness of a hardened layer
- Standard generale per determinare la profondità di strati induriti dopo trattamenti termici.
- Include la definizione della profondità efficace per diversi trattamenti, tra cui cementazione e nitrurazione.
ISO 18203:2016 – Steel — Determination of the thickness of a hardened layer – Per la nitrurazione, la profondità efficace di indurimento (NHD – Nitrided Hardness Depth) viene generalmente definita come la distanza dalla superficie fino al punto in cui la durezza scende a 100 HV in più rispetto alla durezza del nucleo (HVcore).
- Specifica il metodo per determinare la profondità efficace di indurimento in vari trattamenti termici, inclusa la nitrurazione.
- La NHD si misura sulla sezione trasversale di un campione mediante prova di durezza Vickers (HV).
- Il criterio standard più comune è: $HV NHD = HV core +100$ dove $HV core$ è la durezza del materiale a cuore.
Questa regola è utilizzata per garantire che la misurazione rifletta la profondità utile dello strato nitrurato senza considerare zone con un indurimento trascurabile.

Nel caso della tempra a induzione, la profondità efficace di indurimento (EHT – Effective Hardening Depth) è spesso definita come la distanza dalla superficie fino al punto in cui la durezza scende all’80% della durezza superficiale massima (HV_max).

Norma di riferimento:

ISO 3754:1976 – Steel — Determination of effective depth of hardening after induction or flame hardening

Specifica che la profondità efficace deve essere misurata fino al punto in cui la durezza scende all’80% della durezza superficiale massima (HV_max).
Il metodo di misura più comune è la prova di microdurezza Vickers (HV) su una sezione trasversale del pezzo trattato.

Questa regola è ampiamente utilizzata per determinare la qualità della tempra a induzione o a fiamma, assicurando che il pezzo abbia una transizione graduale dalla zona indurita al nucleo.

Influenza della durezza e della profondità sui materiali

Una durezza adeguata e una profondità di trattamento ottimale garantiscono:

Maggiore resistenza all’usura per componenti soggetti a frizione.
Migliore resistenza alla fatica per elementi strutturali e meccanici.
Equilibrio tra durezza superficiale e tenacità interna, evitando fragilità e rotture improvvise.

Conclusione

La misurazione accurata della durezza e della profondità dei trattamenti termici è essenziale per garantire materiali affidabili e performanti. La scelta del metodo corretto dipende dal tipo di materiale e dall’applicazione finale, assicurando qualità e sicurezza nelle lavorazioni industriali.

Come Misurare le Durezze e le Profondità nei Trattamenti Termici dei Materiali