Importanza della velocità di raffreddamento (prima derivata) nell analisi termica

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1 Importanza della velocità di raffreddamento (prima derivata) nell analisi termica

2 T ( C) Analisi termica Trasformazione eutettica ed eutettoidica delle ghise Liq + d d Liquid 1398 d + g L + g pr L + Gr pr Austenite g 1154 C Eutectic g E a A 3 a + g A 2 A 1 A CM g + Fe 3 C Austenite + Eutectic g pr + g E + Gr E 738 C + Gr E Graphite + Eutectic Gr pr + g E + Gr E 210 0,008% Ferrite + Pearlite A 0 0,018% 0,50% Hypoeutectoid Pearlite + Cementite 0,77% 0,68% 1,00% 2,05% Hypereutectoid Ferrite + Pearlite + Graphite 210 C, magnetic point of cementite Hypoeutectic 4,26% C (%) Hypereutectic 6,67% Steels Cast iron

3 Analisi termica La trasformazione eutettica delle ghise TEgrey = 1154 C+4*Si 2*Mn 30*P Tgrey > TEmin> Twhite solidificazione grigia TEwhite = 1147 C-10*Si-30*P+30*Cr TEmin<Twhite; Tsolidus>Twhite; alti rischi di formazione dei carburi primari TEmin<Twhite; Tsolidus<Twhite; solidificazione bianca

4 Analisi termica La trasformazione eutettoidica delle ghise

5 Analisi termica La trasformazione eutettica delle ghise 1. Nucleazione dell austenite 2. Crescita dei nuclei di austenite e la prima nucleazione della grafite 3. Crescita libera del complesso austenite-grafite 4. Crescita con pressione e seconda nucleazione della grafite 5. Solidificazione totale

6 Analisi termica Il coefficiente di conducibilità termica 6

7 Analisi termica Il coefficiente di conducibilità termica Ghisa con grafite lamellare Ghisa con grafite sferoidale

8 Analisi termica Il coefficiente di conducibilità termica Ghisa con grafite lamellare Ghisa con grafite sferoidale Kcond GS= - 2,8 Kcond GL= - 4,0

9 Grafite degenerata Analisi termica Il coefficiente di conducibilità termica Grafite sferoidale Porosità Kcond GS= - 1,7 Kcond GS= - 2,8 Kcond GS= - 4,5 9

10 Analisi termica Il coefficiente di conducibilità termica Kcond GS= - 2,8 10

11 Analisi termica Il coefficiente di conducibilità termica

12 Analisa termica La trasformazione eutettoidica delle ghise

13 Analisi termica L influenza del Antimonio sulla velocità di raffreddamento

14 Analisi termica L influenza del Fosforo sulla velocità di raffreddamento

15 Analisi termica della ghisa con grafite lamellare Ottima qualità metallurgica

16 Analisi termica della ghisa con grafite lamellare Bassa Qualità metallurgica

17 Analisi termica della ghisa con grafite lamellare Qualità metallurgica migliorabile

18 Analisi termica della ghisa con grafite sferoidale Ottima qualità metallurgica

19 Analisi statistica della qualità metallurgica

20 Strumenti alternativi all analisi termica per il controllo della qualità metallurgica delle leghe metalliche

21 Misurazioni della resistività elettrica e la permeabilità magnetica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido Metodo Misurare, significa disturbare scriveva in 1927 nel suo principio di indeterminazione, Werner Karl Heisenberg uno dei padri della fisica quantistica. Le misure dell analisi termica non possono essere compiute senza incertezze ineliminabili dovute alla introduzione di una termocoppia piuttosto grande in solo 360g di ghisa Si è trovato sperimentalmente(augustus Matthiessen; ),che l'aumento la resistività elettrica del metallo dovuta alla presenza di una piccola quantità di un altro metallo in soluzione solida è indipendente dalla temperatura. Secondo questa regola Matthiessen conclude che la resistività elettrica di un metallo impuro può essere separata in due contributi additivi e scritta in questa forma: ρ(c,t)=ρ 0 (c)+ρ i (T) Dove, ρ 0, è la resistività causata dalla dispersione di elettroni da parte di atomi di impurità e difetti reticolari ed è indipendente dalla temperatura, ma dipendente dalla concentrazione di impurità c(elementi leganti ed ereditati nelle leghe ρ i è resistività intrinseca e dipende dalla temperatura derivante dalla dispersione di elettroni dalle onde reticolari.

22 Misurazioni della resistività elettrica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido

23 Misurazioni della resistività elettrica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido

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27 Misurazioni della resistività elettrica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido La resistività/permeabilità elettrica, dipende delle collisioni tra gli elettroni. La meccanica quantistica ci insegna che gli elettroni si comportano come onde. Uno degli effetti, è che gli atomi non dispongono di un reticolo perfetto allo stato solido. Questo crea dei difetti, che possono essere: atomi sfollati a causa vibrazioni del reticolo posti vacanti e interstiziali dislocazioni presente al bordi di grano impurità segregazioni La differenza della resistenza elettrica/permeabilità magnetica piuttosto elevata tra metallo(austenite, perlite, ferrite, cementite, o alte fasi) e la grafite, permette il calcolo della quantità di grafite precipitata nelle ghise, operazione praticamente impossibile con gli strumenti attuali di controllo di processo metallurgico Prima nucleazione grafitica Seconda nucleazione grafitica

28 Misurazioni della resistività elettrica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido

29 Misurazioni della resistività elettrica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido Strumentazione Per l analisi della resistenza elettrica, la strumentazione è composta dai seguenti elementi: 1. Prova sottoposta all analisi 2. Anima in sabbia 3. Supporto isolante 4. Elettrodi conduttori in rame(diam. 0,3mm) 5. Nano-ohmetro di precisione 6. Software di analisi, visualizzazione e elaborazione dei interventi di processo Il sistema di misura non è invasivo, non perturba la solidificazione naturale della lega sottoposta all analisi. Quattro elettrodi in rame diametro 0,3 mm sono introdotti nel provino standard non più di 2 mm, quindi una piccolissima influenza rispetto all analisi termica sul andamento della solidificazione. Il diametro dei elettrodi pur essendo molto ridotto(0,3 mm) riesce ad analizzare un ampia superficie del campione, tenendo conto che le dimensioni medi dei noduli classe 6, sono al torno di 30µm nella ghisa con grafite sferoidale, mentre nelle ghise con grafite lamellare la lunghezza media di una lamella e di cca 100µm(tipo A)

30 Misurazioni della permeabilità magnetica delle leghe durante la solidificazione e nelle trasformazioni allo stato solido Per l analisi della permeabilità magnetica, un sistema di misura ancora meno invasivo, la strumentazione è composta dai seguenti elementi: 1. Solenoide primario 2. Provino sottoposta all analisi 3. Solenoide secondario dove sono misurate le correnti indotte, direttamente proporzionali con la permeabilità magnetica e che dipendono in correlazione perfetta con i cambiamenti di fasi e la conduttività termica durante la solidificazione delle leghe e il loro successivo raffreddamento 4. Software di analisi, visualizzazione e elaborazione dei interventi di processo

31 Conclusioni Comparazioni nel utilizzo dell analisi elettrica verso l analisi termica: 1. Influenza minima sulla solidificazione del provino standard, feed-back più preciso senza ambiguità indotte dal inquinamento della solidificazione naturale 2. Misurazione diretta delle trasformazioni delle fasi durante la solidificazione e non temperature che ipoteticamente indicano la trasformazione delle fasi come accade nell analisi termica. 3. Misurazione del raffinamento dei grani tramite le dispersioni hysteresis nella matrice metallica, traguardo non raggiunto dall analisi termica 4. Misurazione diretta del numero delle celle eutettiche(nella ghisa con grafite sferoidale il numero di celle eutettiche corrisponde al numero dei noduli, quindi il numero di noduli) 5. Predizione della forma della grafite(sferoidale, vermiculare, lamellare) in 100 secondi. Un grande segno di domanda da sempre per l analisi termica. 6. Identificazione dei prodotti di precipitazione non metallici(ossidi, solfuri, nitruri, ecc), non identificabile con l analisi termica 7. Calibrazione precisa tramite correlazione matematica nelle fusioni di grosso spessore, utilizzando metodi non distruttivi e poco perturbanti(gli elettrodi nei grossi spessori non superano 5 mm, rimangono nello strato di lavorazione meccanica).

32 8. Misurazione diretta della conduttività termica(la conduttività elettrica è perfettamente proporzionale con la conduttività termica). Nell analisi termica la conduttività termica è valutata indirettamente tramite l angolo della derivata nella prossimità della temperatura solidus. Questo angolo è invece una misura molto complessa che dipende non solo della conduttività termica, ma anche dai difetti di ritiro, dalla forma della grafite, e del contenuto del Mg residuo nelle ghise con grafite sferoidale. Praticamente, è impossibile isolare ogni effetto, per valutare le singole influenze. 9. Calcolo preciso della grafite precipitata dal carbonio totale, con influenza diretta sulla predizione dei rischi di formazione dei difetti di ritiro o carburi primarie e eutettiche. L analisi termica riesce calcolare solo i rischi di formazione dei carburi primari la predizione di difetti è basata sul angolo della derivata influenzato da più variabili inseparabili finora, come spiegato sopra. 10. I provini sono sprovvisti di termocoppie avendo un costo inferiore ai classici provini dell analisi termica 11. La calibrazione del SW è molto meno laboriosa rispetto all analisi termica, perché può essere calcolata e non studiata statisticamente su una serie dei provini colati. Le resistività elettriche/permeabilità magnetiche delle fasi, sono molto bene conosciute, quindi permettono un calcolo preciso dei andamenti durante la solidificazione e raffreddamento delle leghe. 12. Applicazioni su tutte le leghe, anche sul acciaio dove l analisi termica non può intervenire, impossibilità dovuta ai limiti delle termocoppie K che lavorano fino ad una temperatura di max C. Il cambio con le termocoppie tipo S resistente fino a 1700 C, invece rimette nella precisione.