Controllo di qualità nelle operazioni di forni a nastro reticolato: durezza, struttura e decarburazione
Il controllo qualità in un forno a nastro continuo è diverso dal controllo qualità in un forno a lotti. In un forno a lotti, ogni pezzo è sottoposto allo stesso profilo tempo-temperatura (entro le specifiche di uniformità) e la qualità viene verificata a campione. In un forno a nastro, i pezzi entrano ed escono dal forno in modo continuo e il processo deve essere controllato per garantire una qualità costante su ogni pezzo, non solo sui campioni. Questa è una vera sfida ingegneristica e il sistema di controllo qualità su una linea di forni a nastro è ciò che distingue un'attività efficiente da una mediocre.
Cosa testare e quando
I test di qualità standard su una linea di forni a nastro reticolare sono: durezza, microstruttura, decarburazione e profondità di tempra (per i pezzi cementati). Ogni test viene eseguito con una frequenza diversa e il programma di test è impostato per rilevare eventuali deviazioni del processo prima che producano pezzi non conformi alle specifiche.
La prova di durezza è la più comune e viene eseguita su ogni lotto (in genere da 30 minuti a 1 ora di produzione). Il test è rapido (30 secondi per pezzo su un moderno tester Rockwell) e fornisce una misura diretta del risultato del trattamento termico. La durezza target per i dispositivi di fissaggio temprati e rinvenuti è in genere compresa tra HRC 38 e 44 e il test viene eseguito su 5-10 pezzi per lotto.
La microstruttura viene controllata con minore frequenza, in genere una volta per turno o una volta al giorno. Il test è più lento (da 5 a 10 minuti per campione per la preparazione, poi da 2 a 3 minuti per l'esame vero e proprio) e richiede un tecnico metallurgico. Il test verifica la presenza della fase corretta (martensite per i pezzi temprati, perlite fine per i pezzi ricotti) e segnala eventuali strutture anomale (eccesso di austenite residua, martensite non temprata o carburi ai bordi dei grani).
La decarburazione viene controllata quotidianamente durante i processi di tempra. Il test misura la profondità dello strato decarburato, ovvero la zona superficiale più morbida che si forma quando il carbonio diffonde fuori dall'acciaio. Il test standard consiste in una misurazione della microdurezza dalla superficie al nucleo, con la profondità di decarburazione definita come la profondità alla quale la durezza scende al di sotto di una determinata soglia (in genere il 90% della durezza del nucleo).
La profondità di tempra viene controllata per i pezzi cementati, in genere su base giornaliera. Il test consiste in una misurazione della microdurezza, dove la profondità di tempra è definita come la profondità alla quale la durezza scende al di sotto di una determinata soglia (in genere 50 HRC per i pezzi cementati). La profondità di tempra viene confrontata con la ricetta del processo e con le specifiche del pezzo.
Parametri di controllo del processo
La qualità del funzionamento di un forno a nastro reticolare dipende dal controllo dei seguenti parametri di processo: velocità del nastro, temperature delle zone, composizione chimica dell'atmosfera e condizioni del bagno di tempra. Ciascun parametro ha un valore target e una tolleranza, e il sistema di controllo mantiene il parametro entro la tolleranza.
La velocità del nastro è la variabile principale che controlla il tempo di permanenza in ciascuna zona. La velocità viene impostata in base alla ricetta di processo e la velocità effettiva viene monitorata continuamente. Una variazione della velocità del nastro superiore al 5% rispetto al valore impostato viene segnalata come allarme di qualità e i pezzi prodotti durante tale variazione vengono trattenuti per un controllo qualità.
Le temperature di zona sono controllate da circuiti PID indipendenti in ciascuna zona. I setpoint sono impostati in base alla ricetta di processo e le temperature effettive vengono registrate in continuo. Una deviazione di temperatura superiore a più o meno 10 gradi Celsius rispetto al setpoint attiva un allarme e i pezzi prodotti durante la deviazione vengono bloccati.
La composizione chimica dell'atmosfera è controllata dalle portate dei gas, dal regolatore del potenziale di carbonio e dalla pressione del forno. I parametri chiave sono: contenuto di ossigeno (inferiore a 10 ppm per i processi bright), punto di rugiada (inferiore a -40 gradi Celsius per le atmosfere contenenti idrogeno) e potenziale di carbonio (entro lo 0,05% di C dal setpoint per le atmosfere di gas endogeni).
Le condizioni del liquido di tempra sono fondamentali per i pezzi temprati. La temperatura, la concentrazione e l'agitazione del liquido di tempra devono essere mantenute entro le specifiche di processo. Le temperature tipiche del liquido di tempra a base di olio sono comprese tra 60 e 80 gradi Celsius, con una velocità di agitazione da 0,5 a 1,0 m al secondo. Per gli acciai a bassa temprabilità si utilizzano liquidi di tempra polimerici, con concentrazioni dal 5 al 15% e temperature da 30 a 50 gradi Celsius.
Problemi comuni di qualità
Il problema di qualità più comune nei forni a nastro è la scarsa durezza. La causa è solitamente un tempo di austenitizzazione insufficiente, una bassa temperatura di austenitizzazione o un'eccessiva decarburazione. La soluzione consiste nel rivedere i parametri di processo e regolare la velocità del nastro, le temperature delle zone o la composizione chimica dell'atmosfera.
Il secondo problema più comune è l'eccessiva decarburazione. La causa è solitamente un valore di riferimento del potenziale di carbonio troppo basso, un'atmosfera del forno contaminata da ossigeno o vapore acqueo, oppure una temperatura del forno troppo elevata. La soluzione consiste nel controllare l'endogeneratore, l'alimentazione del gas e le guarnizioni del forno.
Il terzo problema è la formazione di cricche da tempra. La causa è solitamente una temperatura di austenitizzazione eccessiva, un raffreddamento insufficiente durante la tempra o un'eccessiva aggressività del mezzo di tempra. La soluzione consiste nell'abbassare la temperatura di austenitizzazione, aumentare l'agitazione o utilizzare un mezzo di tempra meno aggressivo.
Capacità di processo e SPC
I moderni forni a nastro reticolato utilizzano il controllo statistico di processo (SPC) per monitorare il processo e rilevare eventuali deviazioni prima che producano pezzi non conformi alle specifiche. I dati di durezza vengono rappresentati graficamente su diagrammi X-barra e R, con limiti di controllo impostati a più o meno 3 sigma. Una serie di 7 o più punti consecutivi su un lato della linea centrale viene segnalata come un avviso di processo e l'operatore è tenuto a indagare.
L'indice di capacità del processo (Cpk) per un funzionamento ben controllato di un forno a nastro reticolato è in genere compreso tra 1,33 e 1,67 per la durezza. Un Cpk inferiore a 1,0 indica che il processo non è adeguato e deve essere migliorato prima che il forno possa produrre pezzi di alta qualità.
I sistemi di controllo per forni a nastro reticolare MONTE INTELLIGENCE includono strumenti SPC integrati che calcolano automaticamente il Cpk e visualizzano i grafici di controllo sull'interfaccia HMI dell'operatore. Il sistema genera inoltre un rapporto di qualità giornaliero con i risultati dei test, i valori di Cpk e gli eventuali avvisi di processo.
Documentazione e tracciabilità della qualità
La maggior parte delle aziende che utilizzano forni a nastro trasportatore forniscono componenti a clienti del settore automobilistico, aerospaziale o industriale che richiedono una tracciabilità completa. Il registro di tracciabilità include: data e ora di produzione, parametri operativi del forno, composizione chimica dell'atmosfera, risultati delle prove di durezza e nome dell'operatore. Il registro viene conservato per 5-10 anni ed è disponibile per la consultazione da parte del cliente su richiesta.
I sistemi di controllo MONTE INTELLIGENCE archiviano tutti i dati di processo su un server locale con un periodo di conservazione configurabile. Il sistema è in grado di generare un certificato di trattamento termico per qualsiasi lotto di produzione, completo di parametri di processo e risultati dei test. Il certificato è formattato in modo da soddisfare la maggior parte delle specifiche richieste dai clienti.
Contattate MONTE INTELLIGENCE per informazioni sui sistemi di qualità.
Per gli acquirenti che valutano un forno a nastro reticolare con rigorosi requisiti di qualità, l'ingegneria di MONTE INTELLIGENCE può progettare un sistema di qualità che soddisfi le specifiche. Visitawww.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Per studi di caso sul controllo qualità, per discutere di un progetto, inviare un'e-mail a helenxu@cnlymonte.com con oggetto "Qualità delle cinghie a rete" e dettagli sulle specifiche di qualità e sui requisiti del cliente.
