STUDIO SULLA FLUIDITÀ DELLE LEGHE DI ALLUMINIO

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1 Memorie >> Alluminio e leghe STUDIO SULLA FLUIDITÀ DELLE LEGHE DI ALLUMINIO M. Di Stino L motivzione di queto tudio nce dll eigenz di cpire meglio i vri fttori che influenzno l fluidità delle leghe di lluminio d fonderi, in prticolre l leg lluminio-ilicio (Al-Si). I prmetri tuditi ono tti l tempertur di colt, il rffinmento del grno, il contenuto di idrogeno e di oidi. Gli eperimenti ono tti volti Trondheim (Norvegi) preo l univerità NTNU e il centro di ricerche SINTEF. I riultti hnno evidenzito che l tempertur di colt h un ruolo determinnte nell umentre l fluidità, mentre non è tto ricontrto neun effetto ignifictivo dovuto ll preenz di rffinnte di grno o d un lto livello di idrogeno. Un lto livello di oidi riduce l fluidità. Inoltre, il riciclggio di mterili d lvorzioni non influenz l fluidità e i pret ttenzione l mntenimento più o poiile del livello di oidi. PAROLE CHIAVE: fluidità, colt, lluminio e leghe INTRODUZIONE L fluidità di un leg volge un ruolo chive per le fonderie e le indutrie di trporto poiché influenz l qulità del prodotto finle, il uo peore, i ti di crto e quindi i coti [1]. Secondo l definizione dt d Fleming [2], l fluidità, in fonderi, può eere epre dll ditnz che un metllo fuo percorre in un condotto ezione ottile prim di olidificre. Dunque, l definizione di fluidità dt in fonderi è diver d quell dt in fiic che vede l fluidità come l invero dell vicoità, un grndezz trettmente legt lle proprietà termiche del metllo [2]. In fonderi, l fluidità è un comple proprietà tecnologic che dipende d molti prmetri, molti dei quli non ncor completmente chiriti nonotnte i numeroi tudi volti [3, 4, 5]. Alcuni di queti tudi motrno, innnzitutto, l neceità di viluppre uno trumento di lt riproduciilità dell miur di fluidità. Inoltre, dicrepnze ul ruolo del rffinnte del grno ono preenti in lettertur [1, 6, 7]. Lo tudio dell effetto del contenuto di idrogeno e di oidi non è tto ncor ttentmente vlutto. Dunque, queto tudio intende fr luce ull influenz di vri prmetri ull fluidità delle leghe di lluminio d fonderi, in prticolre l leg lluminio-ilicio (Al-Si). I prmetri tuditi ono tti l tempertur di colt, il rffinmento del grno, il contenuto di idrogeno e di oidi. PARTE SPERIMENTALE L Fig. 1 motr l geometri dello trumento di miur utilizzto in queto tudio. Lo trumento è tto viluppto e cotruito l SINTEF (Trondheim, Norvegi). Si trtt di un verione modi- M. Di Stino SINTEF Mteril nd Chemitry, A. Getz v. 2B, 7465 Trondheim, Norvegi Mri.di.tino@intef.no Fig. 1 Geometri dello trumento perimentle: ) vit verticle e ) vit lterle. Schemtic repreenttion of the experimentl equipment: ) top nd ) front view. l metllurgi itlin >> mrzo

2 Alluminio e leghe << Memorie Fig. 2 Componenti principli dello trumento perimentle: A- crogiolo, B- t, C- tmpo in i, D- vlvol pneumtic. Min component of the experimentl equipment: A- crucile, B- topper rod, C- nd mould, D- pneumtic vlve. fict del noto tet dell pirle viluppto per l prim volt d Sito e Hyhi nel 1919 [8]. L Fig. 2 motr le ue componenti principli: (i) un vlvol pneumtic che ttiv un t che locc l ingreo del metllo nello tmpo divio in due emiforme; (ii) un emiform uperiore che contiene l cvità dell pirle rchimede; e (iii) un emiform inferiore che è pitt. Lo tmpo è in i con un legnte orgnico (ColdBox). Lo tmpo viene otituito d ogni tet. Il metllo è verto nel crogiolo e l termocoppi, che è qui inerit, regitr l tempertur del metllo monitort trmite computer. Qundo l tempertur rggiunge il vlore pretilito (tempertur di colt), l vlvol pneumtic ttiv l t che lzndoi permette l ingreo del metllo e il riempimento dell cvità. L lunghezz dell pirle è indice dell fluidità, econdo l definizione univerlmente ccettt dopo gli tudi di Fleming [2, 4]. Un mggiore decrizione dello trumento perimentle è preente in ltri lvori [9, ]. Per tutti gli eperimenti è tto utilizzto un forno d induzione con un cpcità mim di 50kg. Per lo tudio dell effetto dell tempertur di colt e del rffinmento del grno ull fluidità è tt utilizzt un leg tndrd A356, l cui compoizione chimic è riportt in T. 1. L elemento rffinnte, Ti, è tto ggiunto trmite l leg Al-5wt%Ti-1wt%B (wt% è l percentule in peo). Le ggiunte ono tte di 0.01, 0.02, 0.04 wt% Ti, ripettivmente. Per lo tudio dell effetto del contenuto di idrogeno ull fluidità è tto utilizzto il metodo PoDFA (Porou Dic Filtrtion Anlyi) [11] per identificre e quntificre il contenuto di oidi e incluioni (Fig. 3). Nel metodo PoDFA un cmpione di metllo fuo viene verto u un crogiolo vente un filtro ll e. Il metllo p ttrvero il filtro, viene rccolto in un econdo crogiolo e peto. Dopo il rffreddmento in ri, l prte del cmpione immeditmente l di opr del filtro viene nlizzt l microcopio ottico per l nlii di oidi e incluioni. Mggiori dettgli di queto metodo ono preenti in Ref. [12]. Il contenuto di idrogeno è tto modificto immergendo pezzi di legno ecco nell leg fu. Succeivmente il fuo è tto mecolto e l ccumulo di cori in uperficie è tto rimoo con un ptol d cciio. Le concentrzioni di idrogeno miurte con ALSCAN [13] ono tte pri 0.13, 0.15 e 0.43 ml di idrogeno per 0 g di metllo fuo. Inoltre, per un vlutzione qulittiv immedit del livello di idrogeno, l RPT (Reduced Preure Tet tet preione ridott) [12, 14] è tto effettuto prim dell inizio degli eperimenti. L poroità è tt clcolt dlle miure di denità (differenz in cqu e ri) per cmpioni elezionti per ogni livello di idrogeno dopo olidificzione. Per lo tudio dell effetto degli oidi è tt utilizzt un leg tndrd A356 e, ucceivmente, ll te leg ono tte ggiunte 20% e 50% di mterile riciclto d lvorzioni di preo colt (micuglio di leghe Al-7wt%Si e Al-11wt%Si). L compoizione chimic delle tre leghe è riportt in T. 2. Si 6.6 Mg 0.38 Fe Sr Ti G 0.01 Cu Mn Zn C Al Bl. T. 1 Compoizione chimic (wt. %) dell leg utilizzt nello tudio dell`effetto dell tempertur e del rffinmento del grno. Chemicl compoition (wt. %) of the lloy ued for the tudy of the effect of cting temperture nd grin refinement. Alloy A356 A356+20% A356+50% Si Fe Mg Ti Cu Sr N Al Bl. Bl. Bl. T. 2 Compoizione chimic delle tre leghe ute per lo tudio dell` effetto degli oidi (wt. %). Chemicl compoition of the three lloy ued for the tudy of the effect of oxide content (wt. %). 18 mrzo 2008 << l metllurgi itlin

3 Memorie >> Alluminio e leghe Lf=5.6t-3480, dove Lf è l lunghezz dell pirle (mm) e T l tempertur di colt ( C). D quet equzione i può etrpolre che l lunghezz dell pirle crece dell 1% ll umentre di 1 C dell tempertur di colt. Effetto del contenuto di oidi Le miure di fluidità per l leg tndrd A356 e le due leghe con ggiunte di mterile riciclto, ripettivmente A356+20% e A356+50%, ono indicte in Fig. 8. L T. 7 contiene i riultti dell nlii PoD- FA con il vlore di incluioni e oidi per cicun cmpione. L T. 7 motr i riultti delle miure effettute ui cmpioni PoDFA ttrvero le immgini l microcopio ottico. Il contenuto di incluioni è miurto come re delle incluioni per m di metllo filtrto (mm 2 /kg), mentre i film di oidi (per eempio Al 2 O 3 e MgO) ono miurti come numero di oidi per m di metllo filtrto (N/kg). È evidente che l leg tndrd A356 enz ggiunte di mterile riciclto h il più o contenuto di incluioni e oidi. Aggiungendo il 20% di mterile riciclto quet leg il numero di oidi ument di circ un fttore venti. Tuttvi, ulteriori ggiunte (50%) non hnno in proporzione umentto il contenuto di oidi. Ciò può eere dovuto ll ntur di lcuni oidi che vengono trttenuti dl fuo e/o ll tendenz degli oidi di eere pinti in uperficie. In genere, le incluioni poono eere più leggere o più penti del fuo. I primi tendo Fig. 3 ) Metodo PoDFA [11]: il metllo liquido è verto in un crogiolo e poizionto ull cmer ottovuoto; ) chem dell procedur: il metllo è pirto nell cmer ottovuoto e ttrver il filtro che i trov ll e del crogiolo. Dopo rffreddmento, l prte uperiore del filtro è tglit e preprt per l` nlii l microcopio. () PoDFA equipment [11]: the molten metl i poured in crucile nd plced on top of the vcuum chmer; () chemtic illutrtion of the proce: the metl i ucked y the vcuum nd forced to flow through the porou filter dic which i cut nd prepred for the microcopy invetigtion. Effetto del rffinmento del grno Nelle Fig. 5 e 6 ono riportte le microgrfie l microcopio ottico enz e con luce polrizzt (dopo trttmento di nodizzzione). L prim immgine motr l form delle dendriti e l morfologi dell eutettico. Nell Fig. 6 è poiile notre il confronto tr un cmpione enz e con rffinnte del grno. Chirmente l dimenione dei grni del cmpione con rffinnte di grno è inferiore. Queto dimotr che l ggiunt di AlTi5B1 h vuto effetto ull microtruttur dei cmpioni. Tuttvi, come motrno i riultti delle miure di fluidità in T. 4, non c è neun effetto ignifictivo di quete ggiunte dl punto di vit dell fluidit delle leghe. Tempertur, T. 4 ºC T. 3 Riultti dell`influenz dell tempertur di colt. Reult of the tudy of the influence of cting temperture. Livello di rffinnte di grno, wt.% Ti Numero di pirli 20 Lunghezz medi delle pirli e devizione tndrd, m, per ogni livello di rffinnte di grno. Averge length of the pirl nd tndrd devition in the men vlue, m, for ech level of grin refinement. RISULTATI E DISCUSSIONE Lunghezz medi, x, mm Effetto dell tempertur di colt L T. 3 preent i riultti dello tudio dell effetto dell tempertur di colt. Queti riultti ono riportti in Fig. 4 che motr come l fluidità dell leg umenti linermente con l umento dell tempertur di colt. L equzione di quet rett è: Devizione tndrd dell medi, m, Lunghezz medi ± m, mm 540 ± 550 ± 560 ± 550 ± 20 mm 7 Effetto del contenuto di idrogeno L Fig. 7 motr i riultti dell RPT. Chirmente il cmpione con il piu lto livello di idrogeno motr un lt poroità. Le miure di poroità ono riportte nell T. 5. L T. 6 motr i riultti dell nlii PoDFA. L differenz nel contenuto di incluioni per i due cmpioni con o (P) e lto (H) contenuto di idrogeno non è ignifictiv. l metllurgi itlin >> mrzo

4 Alluminio e leghe << Memorie Fig. 4 Lunghezz dell pirle in funzione dell tempertur di colt. Spirl length veru cting temperture. The eqution of the trend line i lo hown. Fig. 5 Microgrfie ottiche del cmpione contenente rffinnte di grno (0.01 wt% Ti) dll ) e e ) punt dell pirle. Opticl microgrph of refined mple (0.01 wt% Ti) from ) e, nd ) tip of the pirl. Fig. 6 Immgine luce polrizzt del cmpione contenente rffinnte di grno (0.01 wt% Ti) dll ) e e ) punt dell pirle. Polried light microgrph of refined mple (0.01 wt% Ti) from ) e, nd ) tip of the pirl. no d eere pinti in uperficie dove ono rccolti ottoform di cori; gli ltri, invece, i ccumulno ul fondo del forno ( fnghigli ) [15]. Inoltre, è poiile che il contenuto di incluioni e oidi i tto influenzto dlle turolenze che ccompgnno i forni induzione, come il tipo di forno che è tto utilizzto in queto tudio. Ulteriori e itemtiche nlii ono necerie per dre un mggiore chirimento. L differenz non ignifictiv per qunto rigurd il contenuto di oidi e incluioni può eere l rgione per l differenz non ignifictiv delle miure di fluidità per le due leghe (A356+20% e A356+50%) come motr l Fig. 8. Appre evidente d queto tudio che l percentule di mterile riciclto non influenzi l fluidità, dto un imile contenuto di oidi e incluioni. Quindi, il riciclggio di leghe di lluminio è poiile, oltre che conveniente, livello indutrile enz deteriorre le proprietà di colilità, ponendo prticolre ttenzione nel mntenere il livello di oidi e incluioni il più o poiile (per eempio ttrvero l uo di filtri). Queti riultti ono in ccordo con le oervzioni preo l ziend norvegee Fundo Wheel AS [16] che, dopo l ggiunt del 40% di mterile riciclto lle loro leghe, non h rilevto lcun cmimento nel prodotto finito livello di reitenz trzione, percentule di poroità e crto. Le invetigzioni l microcopio ottico (Fig. 9) hnno rivelto che l leg A356 h un iimo livello di oidi e incluioni. Il olo 20 mrzo 2008 << l metllurgi itlin

5 Memorie >> Alluminio e leghe Cmpione P H Incluioni, ppm volume T. 6 Concentrzione di incluioni per o e lto livello di idrogeno, P e H, ripettivmente. Level of incluion for low nd high level of hydrogen, P nd H, repectively. Incluioni, mm 2 /kg Oidi, N/kg A A356+20% A356+50% T. 7 Riultti dell nlii PoDFA. I riultti motrno il livello di incluioni e oidi per cicun leg: A356, A356+20% e A356+50%. Reult of the PoDFA nlyi. Level of incluion nd oxide for ech lloy: A356, A356+20% nd A356+50%. I riultti di queto tudio perimentle hnno evidenzito che: - l tempertur di colt h un ruolo determinnte nell umen Fig. 7 Riulti del RPT per ) o livello di idrogeno, e ) lto livello di idrogeno. Smple from the reduced preure tet: ) fter purging (hydrogen level 0.13 ml/0g); ) fter hydrogen ddition (hydrogen level 0.43 ml/0g). tipo di incluioni che è poiile oervre è TiB 2 poiché l leg contiene AlTi5B1 come rffinnte di grno. Nelle leghe A356+20% e A356+20%, le ggiunte di mterile riciclto d precedenti lvorzioni hnno diminuito l purezz. Il livello di film di oidi è umentto come pure quello di incluioni. In prticolre, i oervno prticelle fini di TiB 2 e llumin (Al 2 O 3 ). I cmpioni preentno nche MgAl 2 O 4. tre l fluidità; - non è tto ricontrto lcun effetto ignifictivo dovuto ll preenz di rffinnte di grno o d un lto livello di idrogeno; - un lto livello di oidi riduce l fluidità; - il riciclggio di mterili d lvorzioni non influenz l fluidità e i pret ttenzione mntenere il livello di oidi il più o poiile. RINGRAZIAMENTI Si ringrzino il Prof. Lr Arnerg (NTNU, Norvegi) e il Dott. Øyvind Nielen (SINTEF, Norvegi) per interenti dicuioni e prezioi uggerimenti. Si ringrzino i finnzimenti ricevuti dl progetto norvegee NorLight (Stmpggio di Metlli Leggeri), NTNU, SINTEF e il Coniglio di Ricerche Norvegee (NFR). CONCLUSIONI Idrogeno, ml/0g P 0.13 A 0.15 H 0.43 Poroità, % ó m, % T. 5 Poroità (%) clcolt dlle miure di denità per cmpioni elezionti per ogni livello di idrogeno. L devizione tndrd del vlore medio, ó m, è riportt. Poroity (%) meured from the denity of the elected mple for ech level of hydrogen. The tndrd devition in the men vlue i lo clculted. Fig. 8 Miur dell fluidità per le leghe A356, A356+20% riciclto, e A356+50% riciclto. L` errore tndrd è riportto. Fluidity meurement for the lloy: A356, A356+20% recycled, nd A356+50% recycled, repectively. The tndrd error i lo hown. l metllurgi itlin >> mrzo

6 Alluminio e leghe << Memorie c d e Fig. 9 Microgrfie ottiche dei cmpioni elezionti per l`nlii PoDFA: ) A356; ) A356+20%; c) A356+20% (lt rioluzione); d) A356+50%; e) A356+50% (lt rioluzione). Opticl microgrph of the invetigted mple from the PoDFA tet: () A356; () A356+20%; (c) A356+20% (high mgnifiction); (d) A356+50%; (e) A356+50% (high mgnifiction). BIBLIOGRAFIA [1] M. Di Stino, PhD Thei t NTNU, [2] M. Fleming, Solidifiction proceing, McGrw-Hill Inc., London, [3] A. I. Kriniki, AFS Trn., , [4] M. Fleming, E. Niym, H. F. Tylor, AFS Trn., , [5] M. Di Stino e L. Arnerg, Metll. Sc. nd Tech., Tekid Aluminum, 22, 9-15, [6] A. K. Dhle S. Krlen, L. Arnerg, Int. J. of Ct Metl Re., 9, 3-112, [7] Y. D. Kwong e Z. H. Lee, Mt. Sc. Eng. A, 60, , [8] D. Sito e K. Hyhi, Memoir of the College of Engineering, Kyoto Imperil Univerity, 2, 83-0, [9] M. Di Stino, F. Syverten, L. Arnerg, A. Nordmrk, Int. J. of Ct Metl Re., 18, 59-62, [] M. Di Stino e L. Arnerg, Int. J. of Ct Metl Re., 18, , [11] PoDFA, Uer Mnul, ABB Bomem Inc., Reviion Octoer [12] M. Di Stino, L. Arnerg, S. Rørvik, A. Pretmo, Mt. Sc. Eng. A, 413, , 2005 [13] ALSCAN Hydrogen nlyer, ABB Bomem Inc., com [14] Metl Hndook, 9th Edition, ASM Int., 15, p.459, [15] H. Görner e T. A. Engh, Melt Qulity, Technicl Report for NorLight, p. 26, [16] A. Pretmo, Privte communiction, Mrch ON FLUIDITY OF ALUMINIUM ALLOYS Keyword: fluidity, cting, luminium foundry lloy ABSTRACT The fluidity of n lloy ply key role for the foundry nd trnport indutrie it ffect the qulity nd oundne of the ct product. Prticulrly, fluidity influence the reject rte, hence cting cot nd the production of thin-wlled, hence light component. Fluidity i complex technologicl property nd depend on mny prmeter. The motivtion of thi tudy i to undertnd the influence of different prmeter ffecting fluidity of luminium foundry lloy, prticulrly Al-Si lloy. The prmeter invetigted hve een cting temperture, grin refinement, hydrogen nd oxide content. The experimentl work h een crried out t NTNU nd SINTEF Mteril nd Chemitry in Trondheim (Norwy). The reult hve hown tht the cting temperture ply the mot importnt role on fluidity. The incree of cting temperture ignificntly incree the fluidity of the lloy. The ue of grin refinement nd high level of hydrogen content doe not cue ny ignificnt effect on the fluidity of the lloy invetigted. The ue of recycled lloy doe not influence fluidity if the level of oxide i kept low poile. 22 mrzo 2008 << l metllurgi itlin