Il trattamento termico trasforma un grezzo molle e facile da lavorare in un ingranaggio in grado di sopportare il carico per anni, ma muove anche il metallo. Ogni ingranaggio temprato cambia un po' di forma e, su pezzi mal progettati o mal caricati in forno, il cambiamento può essere grande a sufficienza per scartarlo. La deformazione non è un difetto casuale che il fornitore ripara o non ripara, bensì una risposta meccanica prevedibile al calore, alla trasformazione di fase e al vincolo: va progettata, compensata con sovrametallo e infine corretta con la finitura. Chi tratta la tempra come una scatola nera riceve spesso fori ovalizzati, denti con errore di inclinazione, facce non piane ed errori di passo che emergono solo quando il riduttore comincia a fischiare. La buona notizia è che la maggior parte della deformazione è ben compresa e, una volta chiaro il meccanismo, il resto è questione di sovrametallo, attrezzaggio e controllo di processo.
Durante la tempra agiscono due tensioni diverse e ciascuna piega il pezzo a modo suo. La tensione termica nasce dal raffreddamento irregolare: la superficie si raffredda e tenta di contrarsi per prima mentre il nucleo è ancora caldo e plastico, così la superficie è tirata e, quando poi il nucleo si raffredda e si contrae, la superficie finisce compressa. La tensione di trasformazione nasce dal passaggio stesso da austenite a martensite, perché la martensite occupa più volume dell'austenite da cui nasce. La superficie si trasforma per prima e si espande mentre il nucleo è ancora austenite molle; quando il nucleo finalmente si trasforma e si espande, spinge verso l'esterno il caso già indurito. Quale tensione domina dipende dalla temprabilità dell'acciaio, dalla dimensione della sezione, dalla velocità di tempra e dal modo di bloccaggio, e il risultato è un miscuglio di crescita, contrazione, curvatura e ovalità difficile da indovinare senza dati di prova. La carburazione aggiunge un'ulteriore complicazione: lo strato ricco di carbonio si trasforma in modo diverso dal nucleo povero di carbonio, lo strato di solito cresce mentre il nucleo si restringe e, se la carburazione è irregolare sul dente, la radice o un lato della larghezza ricevono più carbonio e più espansione dell'altro, piegando la linea del dente. Il rinvenimento poi alleggerisce le tensioni residue della tempra, ma questo stesso rilassamento può spostare leggermente le dimensioni, ed è per questo che i pezzi stabili vengono rinvenuti due volte o mantenuti a temperatura abbastanza a lungo da completare il movimento.
Ingranaggi grandi e a sezione leggera sono quelli in cui la deformazione morde più forte. Una corona anulare a parete sottile, di grande diametro e ridotto spessore radiale, tende a ovalizzarsi in tempra, perché il cerchione sottile si raffredda più velocemente dell'anima pesante e dell'anello imbullonato che la sostiene. I cambi di sezione fanno lo stesso gioco: un mozzo molto più pesante dell'anima, o un cerchione molto più pesante dell'anima, si raffredda a proprio ritmo e trascina la sezione più leggera fuori squadra. Fori per bulloni, chiavette e fori di alleggerimento disposti su un lato del foro rompono la simmetria rotatoria e agiscono come raffreddatori locali e concentratori di tensione, così l'ingranaggio cresce in modo irregolare intorno alla circonferenza. I lunghi e snelli alberi pignone si comportano come un arco: un lato dell'albero si raffredda un po' più veloce dell'altro, l'espansione di trasformazione è sbilenca e il pezzo esce dal bagno con un errore permanente di inclinazione che si può eliminare solo con raddrizzatura o rettifica. In pratica, i casi peggiori sono corone sottili, flange unilaterali, alberi scanalati e anime con ritagli asimmetrici.
La risposta standard è lasciare abbastanza materiale perché il trattamento si muova dentro il sovrametallo e, dopo l'indurimento, rilavorare le superfici vere. La sequenza inizia con la lavorazione: tornire, forare e fresare il disco vicino alla misura finale, ma lasciando uno strato generoso su ogni superficie che dopo dovrà essere esatta. Sovrametalli tipici sono 0,3-1,0 mm sul diametro del foro, 0,2-0,5 mm sul diametro esterno, qualche decimo su ogni faccia e 0,15-0,35 mm per ogni fiancata del dente, a seconda di modulo, profondità di caso e dati di deformazione misurati dal fornitore. Il sovrametallo deve essere simmetrico: lasciare più materiale da un lato dell'anima o di un fianco del dente nasconde solo la deformazione, non la elimina. Una ricottura di distensione o una normalizzazione tra la sgrossatura e il trattamento finale rimuove le tensioni residue di lavorazione che, altrimenti, si sommerebbero a quelle della tempra. Dopo tempra e rinvenimento il pezzo torna in officina: il foro viene rettificato o levigato a misura, le facce vengono rettificate piane e parallele e solo allora i denti vengono rifiniti in rettifica, perché rettificare i denti prima di mettere il foro nel vero bloccherebbe il runout nel passo.
Rettificare i denti induriti è la fase di finitura che corregge davvero la deformazione posttrattamento, ma introduce un rischio proprio. Una mola spenta, un avanzamento troppo alto o un refrigerante che non raggiunge la zona di contatto possono riscaldare il fianco fino a rinvenire il caso a ritroso, producendo una zona molle non rinvenuta o persino una rete di microcricche di rettifica che si propagano sotto carico. Le contromisure consuete sono una mola viva e frequentemente vestita, piccole passate, abbondante refrigerante ad alta pressione rivolto all'arco di contatto e una passata di scintillio. Vale anche capire i limiti delle altre finiture: lo shaving si fa sempre su ingranaggio molle prima del trattamento, quindi non corregge per nulla la deformazione di tempra; il levigatura rimuove solo pochi micrometri e si usa dopo la rettifica per migliorare la finitura superficiale e introdurre una tensione residua compressiva che abbassa il rumore; la rettifica è l'unico processo che può davvero correggere errori di profilo, inclinazione e passo dopo l'indurimento. Per ingranaggi di precisione media, shaving più trattamento basta in costo, ma per ingranaggi ad alta precisione o alta velocità non c'è sostituto alla rettifica dopo tempra, spesso seguita da una leggera levigatura.
Una lista pratica di controllo vale per ogni progetto. Prima del trattamento, sbozzare il pezzo e distenderlo, perché i grezzi appena lavorati portano le proprie tensioni chiuse. In progettazione, favorire la simmetria: sezioni di spessore uniforme, fori bullonati simmetrici, fori fittizi dove la massa va bilanciata ed evitare flange sottili che si raffreddano per prime. In carico, appendere gli alberi verticalmente su mandrini, sostenere le corone su piastre piane o con attrezzature interne e caricare il forno in modo che nessun pezzo ne tocchi un altro su una superficie critica. Scegliere con cura il mezzo di tempra: olio o polimero muove il pezzo molto meno dell'acqua, e l'agitazione controllata batte la tempra ferma. Mantenere la temperatura del forno uniforme su tutto il carico, con controllo zone tarato e rampa lenta attraverso l'intervallo di trasformazione. Misurare prima e dopo: provette di tempra o un campione rappresentativo, registrare ovalità del foro, runout e inclinazione, e tenere una mappa di deformazione per ogni famiglia di ingranaggi, così il sovrametallo può essere ristretto nel tempo invece di essere indovinato a ogni ordine.
La deformazione è meglio trattata come un numero da prevedere, non come un incidente da evitare. Quando chiedete ingranaggi a un fornitore, rendete la conversazione concreta: indicate la classe di precisione che vi serve, accettate che la rettifica posttrattamento sarà usata per raggiungerla, specificate le superfici che devono essere rifinite dopo l'indurimento e chiedete prima pezzi campione perché il sovrametallo venga tarato. Un fornitore che rifiuta di misurare la deformazione, o che promette zero movimento dalla tempra, promette qualcosa che nessun trattamento termico può consegnare. Con sovrametallo realistico, attrezzaggio ragionevole e processo documentato, la stessa tempra che indurisce i vostri ingranaggi può essere condotta anche per lasciarli abbastanza vicini al vero da farli entrare in tolleranza con una passata di finitura.