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1 J.Alva Servizio tecnico Tesi SpA

2 L analisi termica Consiste nella registrazione ora mediante software dell andamento della temperatura nel tempo di un campione di metallo colato solitamente in un crogiuolo di sabbia contenente una termocoppia. Il risultato è una curva che a seconda del tipo di crogiuolo adoperato può fornire informazioni sia del tipo compositivo che comportamentale.

3 L impiego dell analisi termica Tradizionalmente l analisi termica è stata adoperata per determinare la composizione chimica delle ghise basso legate in base al principio che ad ogni temperatura di fusione (Tl) corrisponde in modo univoco un unica composizione come anticipato dal diagramma ferrocarbonio sebbene per bisogni di correlazione matematica si adoperi la formulazione CEL La relazione fra temperatura di solidificazione (Ts) e la % di (silicio + fosforo) permette poi di derivare il CE. Per ottenere un valore stabile di tale temperatura si rende necessaria l aggiunta di tellurio atta a favorire la solidificazione bianca (metastabile) del metallo.

4 L impiego dell analisi termica Relazione fra Tl e CEL (r: 0,99) CEL: %C+ % Si/4 + % P/2 (Heraeus)

5 L impiego dell analisi termica Relazione fra temperatura di solidificazione (Ts) e contenuto di silicio e fosforo (r: 0,98) Ts = (Si + 4P) 1.65 (Si + 4P)² (Heraeus)

6 L impiego dell analisi termica Una prima applicazione dell analisi termica senza l aggiunta di tellurio fu fatta nella messa a punto di produzioni in ghisa grigia in quanto si scoprì che esisteva un rapporto fra sottoraffreddamento (ΔT), il conteggio di celle ed il tipo di struttura. A maggior ΔT corrispondono strutture meno favorevoli (A-> C e/o D) e un conteggio di celle più basso. Il sottoraffreddamento (ΔT) è la differenza fra la temperatura ideale di solidificazione (1.150 C per convenzione) e la temperatura minima raggiunta del liquido prima dell avvio della solidificazione vera e propria (eutettica). La recalescenza R è invece la differenza fra la temperatura massima raggiunta e quella minima. Il sottoraffreddamento (ΔT) è proporzionale all altezza della tempra nel relativo provino. Valori superiori ai 10 C porta alla formazione di carburi nelle sezioni sottili (<6 mm).

7 L impiego dell analisi termica nelle ghise grigie ΔT: 5 C ΔT: 15 C Esempi di relazione fra sottoraffreddamento, conteggio di celle e struttura (da K.H.Caspers)

8 Tempra e sottoraffreddamento L altezza h nel provino è proporzionale al sottoraffreddamento ΔT

9 L impiego dell analisi termica nelle gg Nelle ghise grigie ad un andamento oscillante anche marcato del sottoraffreddamento non corrisponde altrettanta variabilità nell andamento della recalescenza.

10 L impiego dell analisi termica nelle gg Il controllo strutturale della grafite può essere fatto monitorando il sottoraffreddamento come regolato dall inoculazione (periodo 1 mese)

11 L impiego dell analisi termica nell ottimizzazione del ritiro nei bagni di ghisa sferoidale Nelle gs la formazione dei ritiri per una data configurazione geometrica del particolare ha due sorgenti: la qualità della formatura (rigida o meno) e quella metallurgica. Il posizionamento pressoché coincidente dei difetti conseguenti (delle porosità opp. microcavità) rende ardua la discriminazione della causa sebbene spesso (per comodo) la si addebiti alla formatura.

12 Porosità di origine metallurgica presente anche nella formatura cosiddetta rigida a causa della qualità del materiale di carica (a) (b) Getti di prova a T spessore 50 mm prodotte in forme al silicato (a) con risucchi nel baricentro termico (b) senza risucchi dopo modificare la carica e introdurre il precondizionamento.

13 Controllo della qualità metallurgica L influenza della pratica metallurgica sui ritiri ha portato a coniare il termine Qualità metallurgica. Il termine si presta spesso a valutazioni soggettive. Ma in che modo può essere controllata o monitorata la qualità metallurgica? Non esiste al momento altro strumento che l analisi termica. Per illustrare l argomento ci serviremo di Thermocheck, un software sviluppato in Italia.

14 L impiego dell analisi termica nelle gs Le gs sono ghise eutettiche o ipereutettiche. Come le ghise grigie sono soggette al fenomeno del sottoraffreddamento che regola il numero di noduli ma solo marginalmente la loro forma. Valori alti possono portare anche qui alla formazione di carburi nelle sezioni sottili. Idealmente la curva di solidificazione a differenza di quella delle gg dovrebbe avere un andamento piatto che vuol dire zero sottoraffreddamento e zero recalescenza. Tuttavia il profilo della curva assume andamenti che variano da fonderia a fonderia e non di rado anche nella singola realtà da una misurazione all altra.

15 L impiego dell analisi termica nelle gs Curva vicina alla idealità: sottoraffreddamento (2,7 C) e recalescenza (2,9 C) entrambi bassi, eutettico abbastanza regolare a 1149 C e a chiusura breve (angolo chiuso). La curva si presenta estesa. La derivata prima (in verde) si presenta equilibrata da inizio a fine

16 L impiego dell analisi termica nelle gs Una solidificazione eutettica a temperatura alta e costante implica una distribuzione regolare del carbonio sotto forma di grafite e quindi una migliore compensazione dei ritiri. Le curve si presentano più estese nel tempo. I fattori influenti sono il materiale di carica, il tipo e marcia del forno, le leghe adoperate e non ultimo la modalità di preparazione e colata del metallo. Ogni sforzo va compiuto allo scopo di assicurare come minimo, una ripetibilità dell andamento delle curve Di seguito una serie di esempi di curve ricavate dalla realtà operativa anche a distanza di alcuni minuti.

17 Esempio1

18 Esempio 2

19 Esempio 3

20 Esempio 4

21 Esempio 5

22 Esempio 6

23 Esempio 7

24 Esempio 8

25 Esempio 9

26 Esempio 10

27 Esempio 11

28 Esempio 12

29 Esempio 13

30 Esempi curve AT casi specifici 1 (a) (b) Curve che presentano (a) eccessivo sottoraffreddamento (11 C) e poca recalescenza (4 C) (b) sottoraffreddamento più contenuto ma eutettico a temperatura variabile decrescente. In entrambi i casi l angolo di chiusura nela curva derivata è aperto

31 Esempi curve AT casi specifici 2 (a) (b) (a) Recalescenza prematura con eutettico a temperatura decrescente in assenza di sottoraffreddamento per eccesso del livello di nucleazione (b) molto sottoraffreddamento e quasi assenza di eutettico (cariche rottame vario)

32 Esempi curve AT casi specifici 3 (a) (b) (a) Presenza si austenite primaria (sotto il cerchio) in una ghisa eutettica prima del precondizionamento (b) dopo precondizionamento c/0,1% grafite

33 Presenza anomala di austenite primaria (a) (b) (a) Aspetto del ritiro senza precondizionamento (b) dietro precondizionamento con 0,1% di grafite Desulco

34 Analisi termica sovrainoculazione (a) (b) Effetto della sovrainoculazione sulla sanità dei getti. L entità del difetto è passata dalla porosità alle cavità (a) nel pezzo (b) nel raccordo getto-materozza

35 Interventi Abbiamo appena illustrato come sia variegato il comportamento dei bagni in ghisa sferoidale durante la solidificazione se osservata attraverso l analisi termica e quindi non dobbiamo stupirci per improvvise defaillance. Dobbiamo solo abituarci a monitorarlo in modo regolare. Se l andamento delle curve risultano altalenanti fra un trattamento e l altro ciò è segno di precarietà della pratica metallurgica e quindi va corretta. Per verificare se il bagno si discosta sensibilmente dalle condizioni ideali conviene verificare per primo il metallo di base giacché interventi sanatori sulla ghisa già trattata non sono possibili.

36 Ecco i valori di riferimento: 1.Sottoraffreddamento 3 C considerando una temperatura di riferimento per la solidificazione di C; 2.Recalescenza 3 C 3.Temperatura finale (del solidus) dopo trattamento e inoculazione > C. 4.Velocità alla fine della solidificazione (< -3 C/sec) 5.Euttetico bilanciato. Le aree a monte e a valle della recalescenza non devono differire di più del %. Ciò viene indicato dai software come Indice di ossidazione.

37 Indice di ossidazione (a) (b) L indice di ossidazione rappresenta il rapporto fra l area prima dell eutettico ed il totale dell area sotto l eutettico (a) eutettico bilanciato (b) eutettico sbilanciato

38 Raccomandazioni Con la premessa che raramente i problemi di sanità sono associabili ad errori compositivi, è tuttavia consigliabile lavorare con composizioni in termini di CE congrui con gli spessori in giuoco: 4,20% min. per grossi spessori e 4,50% max. per spessori sottili. Il valore minimo per il carbonio finale è 3,5 % mentre è del 2,2 % per il silicio. Valori più bassi favoriscono il sottoraffreddamento e l estensione della crescita austenitica primaria e quindi i ritiri.

39 Note Un alto conteggio di noduli non rivela necessariamente condizioni ottimali ma solo la presenza di richiami di inoculazioni all ultimo momento. E bene evitare tenori di magnesio alti (> 0,045 %) specie se lo zolfo è basso (S< 0,006%). Evitare anche gli elementi carburigeni come il manganese oltre l0 0,3%. Risultano importanti i ruoli giocati dalle terre rare nel favorire andamenti più favorevoli all ottenimento di getti sani.

40 Conclusioni Eseguire con regolarità le curve di raffreddamento: all inizio con una frequenza maggiore e poi ad ogni nuova infornata per verificare la loro stabilità. In caso negativo intervenire di conseguenza attraverso: 1.Precondizionamento (essenziale) 2.Prova di prodotti alternativi (leghe madri e inoculanti) 3.Un buon bagno non elimina le materozze ma aiuta a minimizzare il loro numero! 4. L analisi termica (tektip+grigia) permette di valutare la congruenza fra composizione e comportamento del bagno.

41 Conclusioni 5. Data l enorme varietà dell andamento delle curve trovate nella pratica e bene abituarsi ad interpretare le curve e non affidarsi alle indicazioni dei software! 6. Per ultimo, la coppetta è un provino standard e non un getto con le proprie modalità di espansioni e contrazioni al suo interno. Quindi non dobbiamo pretendere che l analisi termica faccia delle previsioni valide per ogni particolare.

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