La selezione e la progettazione degli impianti per il trattamento termico è un compito ingegneristico sistematico che richiede una considerazione completa dei requisiti di processo, delle caratteristiche dei materiali, dell'efficienza produttiva e del rapporto costo-efficacia. Di seguito sono riportati i principi e i passaggi chiave:

1. Principi fondamentali di progettazione

01. Resistenza alle alte temperature e resistenza alla fatica termica

• I materiali devono resistere alla temperatura operativa massima (ad esempio, 1000°C per la tempra, 600°C per il rinvenimento) e sopportare ripetuti stress di riscaldamento/raffreddamento.
• La priorità dovrebbe essere data agli acciai resistenti al calore (ad esempio, serie Cr-Ni: 310S/RA330 per temperature superiori a 1000°C; tipo 2520 per temperature inferiori a 950°C).

02. Equilibrio tra forza e rigidità

• Calcolare il peso del pezzo e i metodi di impilamento per evitare la deformazione alle alte temperature.
• Adottare strutture reticolari o nervature di rinforzo nella progettazione per ridurre il peso garantendo al contempo la capacità di carico.

03. Ottimizzazione del trasferimento di calore e della circolazione atmosferica

• Evitare di bloccare i canali di riscaldamento per radiazione; utilizzare strutture aperte (ad esempio, griglie, rapporto area aperta ≥30%).
• Garantire un flusso uniforme dell'atmosfera del forno per evitare punti deboli o profondità irregolare della struttura sui pezzi.

04. Resistenza alla corrosione ambientale

• Seleziona i materiali in base all'atmosfera del forno:
  • Carburazione/carbonitrurazione: scegliere leghe ad alto contenuto di nichel (ad esempio RA333) per resistere all'infragilimento da carburazione.
  • Forni a bagno di sale/a vuoto: evitare il contatto tra metalli diversi per evitare reazioni eutettiche a basso punto di fusione.
  • Atmosfere ossidanti: applicare rivestimenti superficiali (ad esempio rivestimenti di diffusione in alluminio-silicio) per la protezione.

05. Compatibilità del pezzo e prevenzione dei danni

• Ridurre al minimo l'area di contatto nei punti di supporto (ad esempio, supporti a lama di coltello) per ridurre l'ostruzione e l'adesione del trasferimento di calore.
• Per le parti di precisione (ad esempio, ingranaggi), utilizzare dispositivi sagomati per evitare distorsioni.

2. Guida alla selezione dei materiali

• Suggerimento in termini di efficienza dei costi: utilizzare materiali ad alte prestazioni solo in zone critiche ad alta temperatura; combinarsi con materiali di qualità inferiore per aree non critiche tramite saldatura.

3. Passaggi di progettazione e convalida

01. Definire i parametri di processo

• Profilo di temperatura, tipo di atmosfera, capacità di carico, metodo di raffreddamento (quenching olio/gas).

02. Modellazione e simulazione 3D

• Utilizza Thermo-Calc o ANSYS per analizzare la distribuzione dello stress termico e ottimizzare le aree deboli.
• Simulare il flusso d'aria del forno per convalidare la disposizione delle aperture.

03. Dettagli chiave del design

• Posizioni di saldatura: evitare aree ad alto stress; utilizzare la saldatura di scanalature con elettrodi a base di nichel (ad esempio ENiCrFe-3).
• Tolleranze dimensionali: tenere conto dei coefficienti di dilatazione termica (ad esempio, ~16×10⁻⁶/°C per 310S) con spazi adeguati.
• Strutture di sollevamento: aggiungi golfari di sollevamento e nervature di rinforzo per una movimentazione sicura.

04. Test del prototipo

• Condurre test di cicli termici a vuoto per misurare la deformazione; cicli di produzione di prova per verificare l'uniformità del pezzo.

4. Insidie ​​e soluzioni comuni

5. Gestione completa del ciclo di vita

01. Sistema di codifica e tracciabilità: stabilire un record per ciascun dispositivo, documentando il materiale, i cicli di utilizzo e la cronologia della manutenzione.

02. Standard di ispezione regolare:

• Correzione obbligatoria se la deformazione supera il 50% della tolleranza del pezzo.
• È necessaria la sabbiatura se lo spessore delle scaglie di ossido supera 1 mm.

03. Criteri di scarto:

• Compaiono crepe nelle strutture portanti critiche.
• Aumento di peso >20% dopo riparazioni multiple (incide sull'efficienza energetica).

6. Tendenze dell'innovazione

• Materiali compositi leggeri: carburo di silicio rinforzato con fibra di carbonio (C/SiC) per forni a vuoto, con riduzione del peso superiore al 60%.
• Canali di raffreddamento conformali stampati in 3D: progettati per geometrie complesse per ottenere una tempra uniforme.
• Dispositivi intelligenti: termocoppie integrate per il monitoraggio della temperatura in tempo reale e regolazioni dinamiche del processo.

Raccomandazioni pratiche

• "Simula prima della produzione": esegui simulazioni accoppiate termo-meccaniche prima della produzione per evitare circa l'80% dei guasti precoci.
• “Progettazione zonale”: utilizzare materiali di qualità superiore o aggiungere isolamento termico in aree con forti gradienti di temperatura (ad esempio, vicino alle porte dei forni).
• "Manutenzione come investimento": la rimozione regolare dell'accumulo di carbonio e delle incrostazioni di ossido può prolungare la durata delle apparecchiature di oltre il 30%.