Metodo di mappatura della qualità dei bagni di leghe di alluminio

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1 ASSOFOND Federazione Nazionale Fonderie XXXI Congresso di Fonderia Convegno Tecnico - Fonderia e nuovi scenari: competitività e tecnologia, le sfide del futuro Vicenza, 26 e 27 Ottobre 2012 Metodo di mappatura della qualità dei bagni di leghe di alluminio Giorgio Muneratti - Foseco Italia

2 Cause principali di difetti dei getti originate nella lega liquida Assorbimento di gas Inclusioni L alluminio liquido assorbe idrogeno e si combina con l ossigeno L assorbimento di idrogeno può causare porosità nei getti. La combinazione con l ossigeno causa inclusioni di ossidi. Le principali fonti di idrogeno e ossigeno sono: umidità atmosferica, rivestimenti dei forni, cariche sporche e ossidate I fattori che facilitano l assorbimento di idrogeno e l ossidazione sono : temperature elevate, turbolenze e agitazioni

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4 Principali inclusioni nell alluminio liquido Inclusione Origine Carburi Al 4 C 3 Celle di elettrolisi Boro-carburi Al 4 B 4 C Trattamento con boro Boruro di titanio TiB 2 Affinazione del grano Grafite C Tubi di trattamento, rotori Cloruri NaCl, KCl, MgCl 2, ecc. Flussi Alfa-allumina α-al 2 O 3 Inglobamento dopo fusione ad alta temperatura Gamma-allumina γ-al 2 O 3 Inglobamento in fase di trasporto e travaso Ossido di magnesio MgO Leghe ad alto tenore di Mg Spinelli MgOAl 2 O 3 Leghe a medio tenore di Mg

5 Carburo di silicio del crogiolo Inclusione di pelli di ossido

6 Ossidi presenti nell alluminio liquido Tempo di accrescimento Spessore Descrizione Origine < 1 secondo < 0,01 mm Frammenti simili a coriandoli Travaso e riempimento stampo da 10 secondi a 1 minuto 0,01 0,1 mm Pellicole flessibile ed estese Siviere di trasporto da 10 minuti a 1 ora 0,1 1 mm Pellicole spesse e rigide Forni fusori da 10 ore a 10 giorni > 1 mm Masse compatte e placchette Forni di mantenimento (da Campbell)

7 Evoluzione degli ossidi da pellicole di Al 2 O 3 a ossidi spugnosi (stato γ) a corindone (stato α)

8 Ossidi vecchi Tridimensionali Punti duri Isolati o a grappolo Fragilizzanti Deleteri nella lavorazione Concentrazioni di stress Particelle grezze di spinello formate da esposizione al tempo e alla temperatura ( crescita nel forno ) Particelle di ossidi di Alluminio

9 Ossidi nuovi Pellicola bidimensionale di ossido che si forma durante il trasferimento od il travaso. Influenza la tenuta a pressione. Può evolvere in forme complesse Resta come lungo difetto che collega le pareti del getto

10 10 Curva di solubilità di H 2 in Al La solubilità dell idrogeno dipende dalla temperatura temperatura di fusione 1 0,7 fase liquida cm3/100g 0,1 0,04 fase solida 0, ,001 C

11 Gli elementi alliganti influenzano la solubilità dell idrogeno 3 Li 2,5 Mg cm3/100g 2 1,5 1 Solubilità dell Al puro a 700 C = 0,93 cm3/100g Ti Si Zn Cu Fe 0, % in peso degli alliganti

12 Porosità da gas su getti superficiali, getto con sola valenza estetica bollosità superficiali interne, visibili dopo lavorazione meccanica, getto a tenuta porosità interne (sezione lavorata)

13 Ci sono molti tipi di inclusioni non metalliche nelle leghe di alluminio Che vanno da pochi micron a diversi millimetri Alcune inclusioni sono comuni a tutti i processi Come le pellicole di ossidi altre sono specifiche di particolari fonti di materie prime, condizioni del processo e tecnologia del trattamento del metallo Come carburi e boruri, ossidi di magnesio e spinelli

14 L individuazione ed analisi delle inclusioni e della loro manifestazione durante il processo, dalla fusione al getto, permette di identificare le aree in cui si evidenzia il problema e focalizzare i programmi di miglioramento

15 Melt Map Molten metal audit FOSECO mette a disposizione delle fonderie il proprio team di esperti, italiani ed internazionali, e la propria avanzata strumentazione di controllo della qualità metallurgica. Melt Map è un sistema integrato di controllo della qualità della lega in tutte le fasi della sua elaborazione in fonderia, che si avvale delle più avanzate (e pratiche per la fonderia) strumentazioni messe a punto da Foseco, oltre ai metodi classici, quali analisi micrografica e SEM. I controlli della lega aiutano a: Comprendere il processo di fusione e trattamento del metallo Evidenziare debolezze nel processo fusorio Registrare dati per comparazione benchmarking Analizzare difetti nei getti Offrire soluzioni ai problemi Identificare le variazioni del processo nel tempo

16 Melt Map Molten metal audit Il processo di Audit è generalmente diviso in 4 parti Orientamento iniziale: raccolta di informazioni sui processi in uso, i prodotti consumabili utilizzati, tipo di getti prodotti ed i correnti problemi e difetti incontrati. Definizione del piano di controllo e degli obiettivi. Esecuzione dei controlli in fonderia nelle diverse fasi del processo e raccolta dei campioni. Raccolta di esempi tipici di difetti di fusione per ulteriore analisi. Rapporto in forma scritta Workshop dove vengono discussi i risultati, raccomandazioni e concordate azioni con il personale chiave del cliente.

17 Melt Map Molten metal audit La strumentazione comprende: ALSPEK H unità portatile (misurazione del tenore di idrogeno) ALSPEK MQ (valutazione dell inquinamento del bagno = inclusioni) V-Met (identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni) Degassing Model version II (software di simulazione del processo di degasaggio) Gastec - Densitec (RPT, Dross Test) K-mould (analisi delle inclusioni grossolane) Analisi Metallografica (microscopio ottico) Scanning Electron Microscope (microscopio a scansione elettronica) Thermatest (analisi termica) MAGMA soft (simulazione riempimento ed alimentazione del getto)

18 Alspek H Determinazione diretta del tenore di idrogeno nella lega liquida elettrodi termocoppia

19 Alspek H Determinazione diretta del tenore di idrogeno nella lega liquida Led Presa sonda Accensione Registrazione Livello carica batteria Retroilluminazione Tasti di selezione Attesa Tasto invio Porta USB Presa carica batteria Scheda di memoria SD

20 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida Il galleggiante viene appoggiato sulla superficie, il tubo affonda ad una profondità prestabilita, la lega inizia a fluire all interno del tubo, e viene misurato il tempo richiesto al passaggio di 1,5 kg di alluminio, in base al quale viene generato l indice di qualità della lega MQI (Metal Quality Index). L indicatore sul manico dello strumento segnala quando la lettura è terminata, generalmente entro 60 secondi.

21 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida La comunicazione tra lo strumento e l unità di raccolta e visualizzazione dati avviene con un sistema senza fili, che opera entro 100 metri di distanza, compatibile praticamente con tutti gli ambienti di fonderia, evitando di trascinare cavi vicino ai forni.

22 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida MQI (Metal Quality Index) Selezione categoria di getti: -Aerospaziale -Critico per la sicurezza -Automobilistico -Commerciale

23 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida L indice MQI è un numero compreso tra 1 (tempo di riempimento di 5-7 secondi, corrispondente a metallo molto pulito) e 8 (tempo di riempimento maggiore di 20 secondi, metallo molto sporco). Vengono individuate le particelle maggiori di 50 micron. MQI 0 Riempimento rapido Problema col test MQI 1-2 Fusione molto pulita Perfetto per fusione MQI 3-4 Inclusioni isolate Ritrattare? MQI 5-8 Metallo molto sporco Ripetere trattamento MQI 9 Filtro bloccato Ripetere trattamento L indice MQI viene visualizzato anche nello schermo dell attrezzo di misura, per permettere all operatore di decidere se accettare la lega o effettuare altri trattamenti di depurazione.

24 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida MQI=3 MQI=4

25 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida Valori rilevati di MQI (lega A356 - Al-7%Si-0,3%Mg) Appena fuso Aggiunta di Mg Mescolamento manuale Attesa 3 minuti Attesa 5 minuti Attesa 20 minuti Aggiunta di Na Trattamento MTS Aggiunta di Sr Aggiunta di Ti-B MQI

26 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida Valori rilevati di MQI (lega A356 - Al-7%Si-0,3%Mg) Appena fuso Aggiunta di Mg Mescolamento manuale Attesa 20 minuti Trattamento MTS Aggiunta di Sr Aggiunta di Ti-B MQI

27 Alspek MQ Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida Effetto del trattamento sul valore di MQI Appena fuso Lancia 20 min FDU 5 min FDU + Flusso 5 min MTS 4 min MQI

28 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni Tungsten Electron Source Gun Cap Electromagnetic Optics Column Image Acquisition Area di scansione Vista delle particelle accettate nel campo e non Electron Beam Electron Detector S Mn Un microscopio a scansione elettronica SEM, con spettrometria EDS analizza tutta la superficie di un campione in modo meccanizzato. Le inclusioni e gli altri difetti (es.cavità) vengono differenziate per composizione e dimensione e viene redatto un rapporto in automatico.

29 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni Micrografia Immagine elaborata

30 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni E possibile identificare grappoli di difetti (clusters, gruppi di difetti singoli ravvicinati che si possono ritenere associati in uno stesso macrodifetto). La mappa rappresenta la posizione e la dimensione dei tipi di grumi.

31 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni Forno fusorio Dopo travaso Dopo FDU

32 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

38 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni Effetto del travaso Lega nel forno fusorio a torre Stessa lega dopo travaso in siviera Lega Al-Si9Cu3(Fe)

39 V-Met Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni Effetto del travaso: conteggio difetti Al-Si9Cu3(Fe) Forno a torre Siviera Inclusion Index Features micron micron micron micron micron > 75 micron 0 8 Pores Dross Alloy Dross Clusters

40 Foseco Batch Degasser Simulazione del processo di degasaggio

41 Foseco Batch Degasser Simulazione del processo di degasaggio Confronto con differenti velocità di rotazione Lega Al-Si7-Mg, crogiolo BU 800, temperatura del bagno 750 C, rotore da 190 mm. 300 rpm 400 rpm 500 rpm 600 rpm 5 min 4 min 3,2 min 2,8 min Tempo per H2 = 0,15 ml/100g