La coniatura è un perfetto esempio di fusione tra arte, scienza e competenza tecnica.

Le opere d’arte destinate ad essere raffigurate sulle monete, create con maestria da artisti esperti, vengono incise nell’acciaio mediante una macchina a controllo numerico per produrre una prima matrice.

Questa viene successivamente posizionata in una pressa idraulica, dove, tramite l’applicazione di una pressione compresa tra 100 e 400 tonnellate, l’incisione viene trasferita su un secondo blocco in acciaio. Questo processo genera una matrice master che contiene il negativo del design della moneta.

La matrice master viene poi sottoposta ad un trattamento di indurimento, quindi utilizzata per produrre diverse matrici negative, o matrici di lavoro, destinate alla coniatura vera e propria.

Dopo la pressatura, le matrici di coniatura vengono sagomate, temprate e, in alcuni casi, rivestite per migliorarne la durata. A seconda del tipo di moneta da produrre, un singolo set di matrici può essere utilizzato per coniare milioni di esemplari.

L’industria del conio si basa sulla precisione e sulla longevità dei suoi strumenti e matrici per mantenere alti volumi di produzione. Durante il processo di coniatura, il tondello è sottoposto a pressioni estremamente elevate, che inducono una deformazione plastica sulla sua superficie per imprimere l’immagine negativa sulla moneta. Generalmente, due matrici metalliche colpiscono il tondello simultaneamente, uno per ciascun lato, garantendo impressioni nitide e dettagliate a ogni colpo.

Figure 1: Una matrice per coniatura (su gentile concessione di Staatliche Münzen Baden-Württemberg)

Questo processo permette di produrre centinaia di monete al minuto, con un'elevata ripetibilità, anche per design con alto rilievo o dettagli molto fini.

Le matrici utilizzate nel processo di coniazione sono generalmente realizzati in acciaio per utensili per lavorazioni a freddo, che solitamente consiste in acciaio ad alto tenore di carbonio legato con elementi come cromo, molibdeno, tungsteno e vanadio. Questi elementi garantiscono un equilibrio ottimale tra resistenza all'usura, scheggiatura e rottura.

Il trattamento termico è un processo fondamentale per migliorare le proprietà delle matrici, assicurando che raggiungano una combinazione adeguata di durezza e tenacità.
I forni a vuoto svolgono un ruolo cruciale nel trattamento termico, offrendo numerosi vantaggi rispetto ai metodi più tradizionali.

In questo articolo, basandoci sulla nostra esperienza di 25 anni come fornitore di attrezzature per l'industria del conio, vi spiegheremo il perché!

Il trattamento termico per le matrici di coniatura

Nell'industria del conio vengono utilizzate diverse tipologie di acciai per utensili da lavorazioni a freddo.

Il trattamento termico di questi materiali consiste generalmente nell'indurire l'acciaio riscaldandolo ad una temperatura adeguata, seguito da una tempra a una velocità sufficiente a favorire la trasformazione della microstruttura in martensite, e infine da uno o più cicli di rinvenimento per ottenere la durezza e le proprietà meccaniche desiderate.

Figure 2: Un tipico ciclo di trattamento termico applicato ad acciai per lavorazioni a freddo

Nella tabella seguente sono presentate alcune delle tipologie di acciaio commerciali più comuni utilizzate per la produzione di matrici di coniatura.

Il valore di temprabilità riportato nella tabella è stimato sulla base delle curve di trasformazione a raffreddamento continuo per la specifica lega. Come si evince dai valori di temprabilità, mentre alcune qualità di acciaio possono essere efficacemente temprate attraverso un raffreddamento relativamente lento, equivalente ad un raffreddamento in aria, altre, come il K455 (60WCrV7) e il K460 (100MnCrW4), presentano una temprabilità significativamente inferiore.

Per questi materiali, la velocità critica di raffreddamento (ovvero la velocità di raffreddamento necessaria per ottenere il 100% di martensite durante la tempra) può raggiungere rispettivamente i 23 °C/s e i 31 °C/s, nell’intervallo tra 800 °C e 500 °C. Di conseguenza, gli acciai K455 (60WCrV7) e K460 (100MnCrW4) sono stati storicamente classificati come “acciai da tempra in olio”. Tuttavia, negli ultimi anni, i forni a vuoto dotati di sistemi integrati di tempra in gas ad alta pressione si sono dimostrati efficaci nell’indurire le matrici realizzate con queste tipologie di acciaio.

Oltre a garantire una velocità di tempra sufficientemente elevata, le attrezzature ed i mezzi di raffreddamento scelti per il trattamento termico degli acciai da utensili per lavorazioni a freddo, come quelli riportati nella tabella sopra, dovrebbero soddisfare i seguenti criteri:

• Garantire un’uniformità ottimale di temperatura durante le fasi di riscaldamento e raffreddamento, evitando disomogeneità microstrutturali e tensioni residue eccessive.
• Prevenire la contaminazione superficiale del materiale, scongiurando effetti indesiderati come la decarburazione e la conseguente perdita di proprietà meccaniche.
• Essere completamente programmabili, consentendo l’esecuzione precisa di cicli di trattamento termico complessi, che includono fasi multiple di preriscaldo e diverse velocità di riscaldamento e raffreddamento.

I moderni forni in vuoto soddisfano tutti i requisiti sopra menzionati e sono quindi particolarmente adatti al trattamento degli acciai da utensili per lavorazioni a freddo. Essi garantiscono un’uniformità di temperatura migliore di ±5 °C e, operando in condizioni di vuoto o a bassa pressione di gas inerte (ovvero a una pressione inferiore a quella atmosferica), eliminano il rischio di contaminazione superficiale. Inoltre, permettono l’esecuzione di cicli di trattamento termico complessi con minime deviazioni dai parametri impostati e tempi di risposta nell’ordine di pochi secondi.

Figure 3: A TAV vacuum furnace dedicated to quenching and tempering of coining dies

Nei forni in vuoto con tempra integrata a gas ad alta pressione, l’effetto di raffreddamento è ottenuto facendo circolare gas inerte ad alta pressione all’interno del forno attraverso uno scambiatore di calore raffreddato ad acqua. Questo sistema offre numerosi vantaggi rispetto alla più tradizionale tempra in olio, tra cui l’eliminazione dei residui oleosi sui pezzi, un trasferimento di calore più uniforme e una significativa riduzione dei rischi per la sicurezza e dell’impatto ambientale.

Figure 4: Rappresentazione schematica del processo di tempra in gas ad alta pressione all’interno di un forno in vuoto.

In passato, l'introduzione di pressioni di gas fino a 20 bar ha notevolmente aumentato le velocità di raffreddamento ottenibili con la tempra in gas. Allo stesso tempo, altri progressi tecnologici, come i sistemi di recupero del gas, hanno reso economicamente vantaggioso l'impiego dell’elio come gas di tempra rispetto al più tradizionale azoto. Grazie alla sua minore massa molecolare e alla maggiore conducibilità termica, l’elio migliora ulteriormente il coefficiente di scambio termico durante la tempra a gas ad alta pressione, consentendo di raggiungere velocità di raffreddamento paragonabili a quelle della tempra in olio.

Successivamente, ulteriori sviluppi hanno permesso di migliorare le prestazioni del processo di tempra in gas. 

L’ottimizzazione dei materiali degli scambiatori di calore, i progressi nelle tecnologie per la loro produzione ed il perfezionamento della velocità e della distribuzione del flusso di gas, supportati da attività di ricerca e sviluppo avanzate e da simulazioni fluidodinamiche CFD, hanno reso possibile aumentare ulteriormente le velocità di raffreddamento raggiungibili con una data pressione. Ciò ha permesso di temprare efficacemente acciai per lavorazioni a freddo tradizionalmente temprati in olio, anche a pressioni di gas più basse ed utilizzando azoto, con una conseguente riduzione dei costi operativi del processo.

Figure 5: Un lotto di matrici per coniatura pronto per essere trattato termicamente

Più recentemente, lo sviluppo e la crescente diffusione dei forni a vuoto multi-camera hanno aperto nuove possibilità per il trattamento termico degli acciai da utensili.
Nella sua forma più semplice, un forno a vuoto multi-camera è costituito da una configurazione a doppia camera.

Nei forni a vuoto a camera singola, l’intero processo di trattamento termico avviene con la carica posizionata all’interno della zona calda. Al contrario, i forni a vuoto a doppia camera dispongono di una camera fredda separata, dedicata esclusivamente alla fase di tempra. Sebbene questi forni siano più complessi dal punto di vista costruttivo, offrono numerosi vantaggi.

Innanzitutto, la camera calda, isolata con grafite, non viene mai esposta all’aria durante le operazioni di carico e scarico. Questo permette di mantenere la camera calda preriscaldata alla temperatura di trattamento, a differenza dei forni a camera singola, nei quali la zona calda deve essere caricata e scaricata sempre a temperatura ambiente per evitare danni dovuti alla reazione tra ossigeno e l’isolamento in grafite. Di conseguenza, i forni a vuoto a doppia camera consentono cicli di riscaldamento più rapidi e un minore consumo energetico, poiché nei forni a camera singola è necessario un significativo apporto di energia per riportare la zona calda alla temperatura di esercizio dopo ogni ciclo.

Inoltre, poiché la tempra avviene in una camera separata, nei forni a doppia camera è possibile migliorare l’isolamento della zona calda aumentando lo spessore dei pannelli di grafite, senza compromettere le prestazioni di raffreddamento.

Figure 6: TAV DC4, forno in vuoto a doppia camera

Inoltre, la presenza di una camera fredda dedicata, progettata per rimanere a temperatura ambiente, consente velocità di tempra significativamente superiori rispetto ai forni a camera singola. A seconda della pressione di tempra e del tipo di gas utilizzato, il coefficiente di scambio termico può aumentare dal 50% al 100%. Questo miglioramento ottimizza la capacità del forno di raggiungere le proprietà metallurgiche desiderate, anche con cariche superiori e permette un trattamento termico efficace anche utilizzando pressioni di tempra più basse.

Conclusioni

L’evoluzione dei forni a vuoto ha rivoluzionato il trattamento termico delle matrici per coniatura, rendendoli uno strumento indispensabile nell’industria del conio.

Grazie a vantaggi come il controllo preciso della temperatura, la conservazione delle proprietà superficiali e velocità di tempra rapide ed uniformi tramite il processo di tempra in gas, i forni in vuoto hanno superato i metodi tradizionali sia in termini di efficienza che di qualità.

L’introduzione di configurazioni di forni in vuoto multi-camera ha ulteriormente migliorato le prestazioni, portando a significative riduzioni dei costi operativi e ad un maggiore livello di sostenibilità.

Con la crescente domanda di precisione ed affidabilità nell’industria della coniatura, la tecnologia dei forni a vuoto continuerà ad essere un punto di riferimento, garantendo la produzione di matrici di altissima qualità per gli anni a venire.