Perché alcune punte per bottoni durano il doppio: non è il carburo, ma il corpo
Quando una punta a bottone si rompe prematuramente, la prima cosa che tutti guardano sono gli inserti in carburo. Bottoni scheggiati, bottoni piatti, bottoni mancanti: il danno è visibile e la colpa è ovvia. Ma molte punte che vengono scartate per rottura del carburo sono state in realtà distrutte dal loro stesso corpo. Il corpo in acciaio che contiene gli inserti si è incrinato, deformato o usurato, e gli inserti, ancora in perfette condizioni d'uso, hanno fatto la stessa fine.
La differenza tra una punta che resiste a migliaia di metri di percussione su roccia dura e una che si rompe al primo utilizzo spesso dipende da una decisione di produzione presa molto prima che la punta entrasse in contatto con un impianto di perforazione: il modo in cui è stato realizzato il corpo.
Quattro modi per realizzare un corpo bit — e perché tre di essi sono inadeguati
Esistono quattro processi commerciali per la produzione del corpo di una punta per trapano a bottone, che producono risultati radicalmente diversi pur partendo dalla stessa lega di acciaio.
Ricavato da barra di metallo.L'approccio più semplice: prendere una barra tonda di acciaio, tagliarla alla lunghezza desiderata e lavorarla meccanicamente per rimuovere tutto ciò che non costituisce la forma finale. È economico da allestire: non servono stampi, né attrezzature per la forgiatura, solo un tornio a controllo numerico. Il problema è che la lavorazione meccanica non migliora l'acciaio. Taglia la struttura granulare formatasi durante la laminazione della barra, interrompendo le linee di flusso interne del metallo in corrispondenza di ogni superficie lavorata. Queste linee di flusso interrotte diventano punti di innesco della fatica sotto carico d'impatto. E poiché si asporta circa metà del materiale iniziale per creare la forma finale, l'utilizzo del materiale è pessimo. I corpi delle punte lavorati meccanicamente vanno bene per applicazioni molto leggere, ma nella perforazione a percussione della roccia, dove il corpo della punta assorbe l'intero impatto del pistone ad ogni colpo, non durano a lungo.
Estrusione a freddo.Meglio della lavorazione meccanica, ma con dei limiti. L'estrusione a freddo forza il lingotto d'acciaio in una matrice a temperatura ambiente sotto una pressione estrema. La deformazione migliora la densità del materiale e affina in qualche modo la struttura granulare, ma le forze richieste sono enormi, il che significa che le matrici e le presse devono essere massicce, rettificate con precisione e costose. L'estrusione a freddo funziona per punte di piccolo diametro con geometrie semplici, ma non è in grado di gestire i complessi profili interni delle punte a bottone più grandi, e i costi di usura della matrice la rendono antieconomica per volumi di produzione elevati.
Estrusione a caldo.Un compromesso. Il lingotto viene riscaldato a una temperatura intermedia, al di sotto del punto di ricristallizzazione, per ridurre la resistenza alla deformazione. Le forze di pressatura sono inferiori rispetto all'estrusione a freddo, il che significa minore usura della matrice e minori costi delle attrezzature. Ma l'intervallo di temperatura è ristretto e non ammette errori. Se è troppo caldo, il metallo inizia a ricristallizzarsi in modo non uniforme. Se è troppo freddo, si torna alle forze dell'estrusione a freddo. L'estrusione a caldo funziona per corpi di punte leggeri con forme semplici, ma non può produrre le cavità profonde e complesse di cui una moderna punta a bottone ha bisogno per un corretto lavaggio e l'evacuazione dei trucioli.
Forgiatura a caldo.Questo è il metodo su cui l'industria si è accordata per un motivo ben preciso. Il lingotto d'acciaio viene riscaldato a 1100-1250 °C, ben al di sopra della temperatura di ricristallizzazione, e pressato in uno stampo di precisione sotto pressione controllata. Il metallo fluisce come argilla calda in ogni dettaglio della cavità dello stampo e, una volta raffreddato, presenta una struttura granulare, una densità e un'integrità interna che nessun processo di lavorazione meccanica o a freddo può eguagliare. La forgiatura a caldo rappresenta oltre l'80% della produzione mondiale di corpi per punte a bottone e, per le applicazioni di foratura a percussione, questo primato è pienamente meritato.
Cosa succede all'interno dell'acciaio a 1200 °C?
La trasformazione che rende un corpo di punta forgiato a caldo superiore a uno lavorato meccanicamente o estruso a freddo avviene a livello microstrutturale, ed è importante comprenderla perché determina direttamente la durata di vita della punta nel sottosuolo.
Quando il lingotto entra nella pressa per la forgiatura a 1200 °C, accadono simultaneamente tre cose che la lavorazione meccanica e la formatura a freddo non possono replicare.
Primo,I difetti interni vengono saldati.Ogni billetta d'acciaio contiene porosità microscopica – minuscoli vuoti residui del processo di fusione – e inclusioni non metalliche come particelle di ossido o solfuro. Sotto la forza di compressione della pressa per forgiatura ad alta temperatura, questi vuoti collassano e si saldano. Le inclusioni vengono appiattite e disperse anziché rimanere come particelle che concentrano le sollecitazioni. La densità del materiale risultante è sensibilmente maggiore e, cosa ancora più importante, vi sono meno siti di innesco di cricche pronti a propagarsi in fratture sotto carico d'impatto ciclico.
Secondo,la struttura granulare viene ricostruita da zero.La struttura granulare grossolana e irregolare ereditata dal lingotto laminato o fuso viene completamente disgregata dalla combinazione di calore e deformazione. Quando il metallo fluisce nella cavità dello stampo, i vecchi grani vengono frantumati e riformati in grani fini, uniformi ed equiassiali – approssimativamente uguali in tutte le dimensioni – che conferiscono all'acciaio un equilibrio di durezza e tenacità impossibile da ottenere con il solo trattamento termico. Un corpo di punta per trapano forgiato a caldo correttamente raggiungerà un valore HRC compreso tra 35 e 45, con una tenacità all'impatto sufficientemente elevata da assorbire migliaia di colpi del pistone senza incrinarsi.
Questo risolve un problema fondamentale dei materiali che affliggeva la produzione di punte in passato: il compromesso tra durezza e fragilità, tenacità e morbidezza. L'acciaio lavorato e trattato termicamente può essere reso duro, ma diventa fragile, soggetto a crepe sotto impatto. Oppure può essere reso tenace, ma in tal caso è troppo morbido, si usura rapidamente e si deforma sotto carico. La forgiatura a caldo, affinando la struttura granulare contemporaneamente alla formatura del pezzo, elimina questo compromesso. Si ottengono durezza e tenacità nello stesso materiale.
Terzo,Il flusso dei grani metallici segue il percorso di carico.In un componente lavorato meccanicamente, le linee di flusso originali del materiale di partenza, provenienti dalla barra laminata, attraversano il componente in linea retta e terminano in corrispondenza dei punti in cui una superficie lavorata le interseca. Queste terminazioni rappresentano punti deboli. In un componente forgiato a caldo, i grani metallici si allineano lungo la direzione del flusso durante la deformazione e lo stampo è progettato in modo che questa direzione segua i percorsi di carico principali durante l'utilizzo. Per una punta a bottone, ciò significa che il flusso dei grani avvolge le cavità interne di lavaggio, scorre in modo continuo lungo la base della punta e si concentra sulla spalla, dove i carichi d'impatto si trasferiscono dal gambo alla superficie di taglio. L'architettura interna del metallo è allineata con le forze a cui sarà sottoposto e tale allineamento prolunga significativamente la durata a fatica, del 30% o più rispetto a un corpo punta lavorato meccanicamente dello stesso materiale e nella stessa applicazione.
Cosa significa la forgiatura a caldo sulla faccia del trapano
Per il perforatore, tutta questa metallurgia si traduce in risultati pratici che si manifestano turno dopo turno.
Il corpo della punta non si incrina in corrispondenza della spalla. La modalità di rottura catastrofica più comune per i corpi delle punte lavorati meccanicamente è una cricca circonferenziale nella transizione tra la parte inferiore e quella superiore della punta, dove si concentra il carico d'impatto del pistone. I corpi forgiati a caldo resistono a questo problema perché la direzione delle fibre è continua in quella sezione.
La punta mantiene il suo diametro più a lungo. Il corpo forgiato presenta una durezza e una resistenza all'usura uniformi in tutta la sua lunghezza, senza i punti deboli che possono svilupparsi nei corpi lavorati a macchina o trattati termicamente in modo non uniforme. La fila di riferimento si usura in modo uniforme e la punta produce un diametro del foro costante dal primo all'ultimo metro.
Gli inserti rimangono in posizione. Quando un corpo si deforma microscopicamente sotto l'impatto (e ogni corpo si deforma in una certa misura), l'accoppiamento forzato che tiene i bottoni in carburo nelle loro sedi può allentarsi. Un corpo forgiato con maggiore tenacità e migliore resistenza alla fatica mantiene le dimensioni della sua sede per un maggior numero di cicli, mantenendo gli inserti in posizione e prevenendo quel tipo di usura che trasforma una punta usurata in rottame.
Cosa cercare quando si acquista
Non tutti i bottoni con la dicitura "forged" nella scheda tecnica sono uguali. Due cose distinguono la forgiatura di qualità dalla produzione di massa:
Controllo della temperatura.L'intervallo di temperatura di forgiatura per la maggior parte degli acciai legati utilizzati nei corpi delle punte da trapano, in genere leghe di nichel-cromo-molibdeno come il 42CrMo o simili, è ristretto. Una temperatura troppo elevata accelera la crescita dei grani, producendo grani grossolani che riducono la tenacità. Una temperatura troppo bassa, invece, impedisce al metallo di fluire correttamente nello stampo, lasciando sezioni non riempite o concentrazioni di stress interne in corrispondenza degli spigoli vivi. Un processo di forgiatura di qualità monitora costantemente la temperatura del lingotto e scarta qualsiasi pezzo al di fuori dell'intervallo specificato.
Condizioni del die e raffreddamento.Gli stampi per la forgiatura funzionano a temperature comprese tra 200 e 300 °C durante la produzione continua, mantenute costanti da circuiti di raffreddamento ad acqua attivi nel portastampo. Se la temperatura dello stampo supera questo intervallo, l'acciaio dello stampo si ammorbidisce e la precisione dimensionale si degrada. Se scende al di sotto, lo shock termico causato dal lingotto caldo in ingresso può provocare la formazione di crepe sulla superficie dello stampo. Una temperatura costante dello stampo garantisce dimensioni costanti della punta, e dimensioni costanti significano che ogni punta ha le stesse prestazioni della precedente.
