Microstructure optimization of heavysection ductile cast iron castings

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Microstructure optimization of heavysection ductile cast iron castings"

Aniello Gennaro Tortora
7 anni fa
Visualizzazioni

1 Microstructure optimization of heavysection ductile cast iron castings XXXI CONGRESSO DI FONDERIA, VICENZA OTTOBRE 2012, UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA P. Ferro*, A. Fabrizi*, R. Cervo**, C. Carollo** *Università degli Studi di Padova - Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali, Stradella San Nicola 3, 36100, Vicenza ** Fonderia VDP, Via Lago di Alleghe 39, Schio (VI)

2 CONTENUTI 1 INTRODUZIONE E OBIETTIVI 2 PROCEDURA SPERIMENTALE 3 RISULTATI E DISCUSSIONE 4 CONCLUSIONI

3 INTRODUZIONE E OBIETTIVI AUMENTO NEGLI ULTIMI ANNI DELLA PRODUZIONE DI GROSSI GETTI IN GHISA SFEROIDALE Grossi getti in ghisa vengono utilizzati nella costruzione di impianti eolici Se confrontate con gli acciai, le ghise sferoidali offrono una riduzione dei pesi e superano i requisiti di progetto legati alla resistenza meccanica (statica e a fatica) senza la necessità di alcun trattamento termico

4 INTRODUZIONE E OBIETTIVI Problematiche di produzione di GROSSI getti in ghisa sferoidale. Formazione di difetti: 1) Macro/micro porosità, 2) Dross (film di ossidi superficiali) 3) Grafite degenerata (grafite CHUNKY (CHG)) Principali cause della formazione di CHG: 1) Composizione chimica, 2) Lenta velocità di raffreddamento e sue conseguenze (evanescenza, segregazioni) 3) Non accurato controllo del processo (materiale in ingresso, inoculazione, sferoidizzazione) CHG

5 INTRODUZIONE E OBIETTIVI Obiettivo di questo lavoro è stato quello di approfondire l influenza della fase di inoculazione sulla morfologia della grafite in getti in ghisa sferoidale di grosse dimensioni Influenza della composizione chimica dell inoculante Influenza della sequenza di inoculazione Particolare attenzione è stata rivolta alla formazione di grafite chunky

INTRODUZIONE E OBIETTIVI: Principali teorie sulla formazione della grafite degenerata Instabilità locale dello shell austenitico: Carbon diffrusion from the liquid phase austenite L austenite nuclea

6 INTRODUZIONE E OBIETTIVI: Principali teorie sulla formazione della grafite degenerata Instabilità locale dello shell austenitico: Carbon diffrusion from the liquid phase austenite L austenite nuclea su diversi punti della superficie dello sferoide ma la capacità di circondare completamente la grafite dipende dalla velocità di raffreddamnento Zhou Jiyang, W. Schmitz, S. Engler. Formation of austenite shell around spheroidal graphite and its effect on deterioration of graphite. Acta Metallurgica Sinica (English edition), 1989, 2, Alloy elements segregation (lower melting point) Sferoide di grafite

INTRODUZIONE E OBIETTIVI: Principali teorie sulla formazione della grafite CHUNKY Elevato sottoraffreddamento: Il sottoraffreddamento è causato principlamente dalla difficoltà del C di

Junk, H-C Shin. Formation mechanism of chunky graphite and its preventive measures. J. Mater. Sci. Technol.

7 INTRODUZIONE E OBIETTIVI: Principali teorie sulla formazione della grafite CHUNKY Elevato sottoraffreddamento: Il sottoraffreddamento è causato principlamente dalla difficoltà del C di diffondere attraverso lo strato di grafite. L elevato sottoraffreddamento modifica la modalità di accrescimento della grafite al fine di aggiustare il bilancio di massa H. Nakae, S. Junk, H-C Shin. Formation mechanism of chunky graphite and its preventive measures. J. Mater. Sci. Technol., 2008, 24, Carbon diffrusion from the liquid phase L entità del sottoraffreddamento è controllato dallo spessore dello shell austenitico che dipende a sua volta dagli elementi in lega e dal numero di sferoidi per unità di volume austenite Sferoide di grafite

INTRODUZIONE E OBIETTIVI: Principali teorie sulla formazione della grafite CHUNKY Itofuji and Uchikawa s site theory: La formazione di grafite Chunky è attribuita all assenza di bolle di Mg

Formation mechanism of chunky graphite in heavy-section ductile cast irons. AFS Trans. 1990, 98, 429-448.

8 INTRODUZIONE E OBIETTIVI: Principali teorie sulla formazione della grafite CHUNKY Itofuji and Uchikawa s site theory: La formazione di grafite Chunky è attribuita all assenza di bolle di Mg indotta dalla pressione esercitata dalla solidificazione eutettica nei confronti della zona centrale ancora liquida H. Itofuji, H Uchikawa. Formation mechanism of chunky graphite in heavy-section ductile cast irons. AFS Trans. 1990, 98, Mg gas babbles Si osservi la netta transizione tra la zona a microstruttura degenerata e quella sana (assenza di macrosegregazioni) Mendez, D. Lopez, I. Asenjo, P. Larrañaga and J. Lacaze. Improved analytical method for chemical analysis of cast irons application to castings with chunky graphite. ISIJ International. 2011, 51, liquido solido

9 PROCEDURA SPERIMENTALE CAMPIONI: 4 cilindri diametro: 300 mm, altezza: 520 mm, modulo: 6.5 cm FORME: 2 forme ciacuna contenente due provini con sitemi di colata indipendenti Materiale: sabbia con resina furanica I 4 provini sono stati colati metallo spillato dallo stesso forno e alla stessa temperatura (viene esclusa l influenza dei materiali di carica e dello stato del forno fusorio) Peso totale (kg) Pani ghisa(%)* Lamierini di acciaio (%)* Grafite(kg) Ritorni (%)* FeSi (kg) SiC (kg) Inoculante ID (%)* * Percentage referred to the total height

10 PROCEDURA SPERIMENTALE Il trattamento di sferoidizzazione è avvenuto su una siviera dedicata utilizzando il metodo sendwich Dopo un pre-condizionamento in siviera di sferoidizzazione, il metallo è stato travasato nella siviera di colata Inoculazione Inoculazione durante il travaso in siviera In stream inoculation Siviera di sferoidizzazione Travaso alla siviera di colata Riempimento forma

2%) S3 & S4 (inoculante: IC-0.4%) S3: inoculante IA-0.1% S4: inoculanteib-0.1% Inoculant Granulometry type (mm) Si Al Ba Ca Mn RE Zr Bi IA 0.2-0.

11 PROCEDURA SPERIMENTALE: sequenza di inoculazione e composizione degli inoculanti S1 & S2 (inoculante: IC-0.4% + IE-0.2%) S1: inoculante IA-0.1% S2: inoculanteib-0.1% Siviera di sferoidizzazione Travaso alla siviera colata Riempimento forma S3 & S4 (inoculante: ID-0.2%) S3 & S4 (inoculante: IC-0.4%) S3: inoculante IA-0.1% S4: inoculanteib-0.1% Inoculant Granulometry type (mm) Si Al Ba Ca Mn RE Zr Bi IA IB IC ID IE 75

PROCEDURA SPERIMENTALE: composizione chimica degli inoculanti Inoculant Granulometry type (mm) Si Al Ba Ca Mn RE Zr Bi IA 0.2-0.5 70-75 0.7-1.4 1.0-2.0 0.4-0.7 0.8-1.3 IB 0.

12 PROCEDURA SPERIMENTALE: composizione chimica degli inoculanti Inoculant Granulometry type (mm) Si Al Ba Ca Mn RE Zr Bi IA IB IC ID IE 75 PRELIEVO CAMPIONI PER INDAGINI METALLOGRAFICHE

13 PROCEDURA SPERIMENTALE ANALISI TERMICA METODOLOGIE DI INGAGINE ANALISI METALLOGRAFICA (ESEM-FEG (FEI, Quanta 250 FEG), OM, Image Analysis) ANALISI MECCANICA (Prove di trazione EN 1563)

14 RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi macrografica DIFETTI: Grafite chunky nei campioni S2 e S4 Macroporosità nel campione S4 OSS: I campioni S2 e S4 hanno subito post-inoculazione con inoculante IB (privo di Bi e RE) Inoculante IA Inoculante IB Inoculante IA Inoculante IB

RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi d immagine In zona B si osserva il maggior numero di noduli/mm 2 legato alla maggiore velocità di raffreddamento Il numero di noduli/mm 2 è correlato al diametro

15 RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi d immagine In zona B si osserva il maggior numero di noduli/mm 2 legato alla maggiore velocità di raffreddamento Il numero di noduli/mm 2 è correlato al diametro medio degli sferoidi (maggiore il diametro, minore il numero) I campioni S1 e S3 mostrano i valori maggiori del noduli/mm 2 OSS: I campioni S1 e S3 hanno subito post-inoculazione con inoculante IA (contenente di Bi e RE) Sample S1 S2 S3 S4 Zone (Fig. 2b) Mean nodule diameter (mm) Nodule count (mm - Roundness 2 ) A B C D Mean value A B C D Mean value A B C D Mean Value A B C D Mean value

16 RISULTATI E DISCUSSIONE: Microscopio ottico PROVINO S1 La microstruttura aumenta il suo grado di affinazione al diminuire della sua distanza dalla superficie laterale

al diminuire della sua distanza dalla superficie

17 RISULTATI E DISCUSSIONE: Microscopio ottico PROVINO S2 La microstruttura aumenta il suo grado di affinazione al diminuire della sua distanza dalla superficie laterale. Spostandosi verso il centro si notano isole di CHG CHG

18 RISULTATI E DISCUSSIONE: Microscopio ottico PROVINO S3 La microstruttura aumenta il suo grado di affinazione al diminuire della sua distanza dalla superficie laterale.

19 RISULTATI E DISCUSSIONE: Microscopio ottico PROVINO S4 La microstruttura aumenta il suo grado di affinazione al diminuire della sua distanza dalla superficie laterale. Spostandosi verso il centro si notano isole di CHG CHG

20 RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi FEG-ESEM c Morfologia 3D della CHG (campione S2) Agglomerato di Bi di dimensioni sub-micrometriche al centro di uno sferoide di grafite nella zona centrale del campione S3.

21 RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi termica La temperatura di inizio siolidificazione eutettica T EN dipende dall inoculazione in siviera e non dalla postinoculazione. S3 e S4 sperimentano I valori più alti grazie all ulteriore inoculazione durante il travaso in siviera di colata. Il sottoraffreddamento DT è simile nei quattro casi (1 1.5 C)

22 RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi termica Il migliore effetto inoculante si è ottenuto con la combinazione: inoculazione in travaso + in stream con inoculante IA (contenete Bi e RE) Considerando le precedenti analisi metallurgiche si osseva che l analisi termica (standard) non è in grado di prevedere per sua natura la microstruttura nei corrispondenti getti di grosse dimensioni Temperatura eutettica (T EU ) minima versus Temperatura eutettica massima (T ER )

23 RISULTATI E DISCUSSIONE: Analisi Meccanica

24 RISULTATI E DISCUSSIONE Poichè nè l inoculazione in siviera nè la sequenza di inoculazione risulta avere influenza (in questo lavoro) sulla formazione di CHG, la differenza microstrutturale fra i campioni analizzati è attribuita alla composizione chimica dell inoculante utilizzato nella post-inoculazione Si è ipotizzato che la presenza di Bi introdotto mediante l inoculante IA abbia l effetto di ridurre il sottoraffreddamento (che la causa di formazione di CHG): aumentando la resitenza all evanescenza dell inoculante (aumento del numero di noduli/mm 2 ) (vedi analisi FEG) riducendo di conseguenza lo spessore dello shell austenitico attorno agli sferoidi di grafite formando intermetallici con gli elementi noti essere degeneranti la microstruttura rendendo più stabile lo shell austenitico soprattutto nelle zone a bassa velocità di raffreddamento

25 CONCLUSIONI 1. La formazione di CHG è influenzata dalla composizione chimica dell inoculante utilizzato in post-inoculazione (in particolare, in questo lavoro, l inoculante contenente una combinazione di Bi e RE ha avuto una influenza positiva nel prevenire la formazione di CHG) 2. L effetto del Bi è stato attribuito a: 1. Sua elevata resistenza all evanescenza 2. Sua reazione con elementi sovversivi che riducono il punto di fusione dell austenite 3. Non è stata osservata nessuna correlazione tra i parametri misurati dall analisi termica e la formazione di CHG 4. Le prove di trazione hanno confermato i risultati metallografici: la presenza di CHG degenera le proprietà meccaniche statiche del getto.

Documenti analoghi

INFLUENZA DELLA GRAFITE CHUNKY SULLE

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA XXXII Congresso di Fonderia Brescia, 21-22 Novembre 2014 INFLUENZA DELLA GRAFITE CHUNKY SULLE PROPRIETÀ MECCANICHE E SUL COMPORTAMENTO A FATICA DI UNA GHISA SFEROIDALE