UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA GESTIONALE

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BRESCIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA GESTIONALE STUDIO DEGLI EFFETTI DEI TRATTAMENTI TERMICI SU LEGHE D ALLUMINIO THIXOCOLATE CONTENENTI ARGENTO Relatore: Ing. Annalisa Pola Correlatore: Ing. Ermanno Bertoli Laureando: Matr N

2 Ricerca svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale della Facoltà di Ingegneria Obiettivi dello studio Studio degli effetti dei trattamenti termici su una lega d alluminio thixocolata al fine di: Ottenere elevato incremento delle caratteristiche meccaniche; Individuare la condizione ideale di trattamento; Definire la percentuale di argento da applicare alla lega. 2

3 Tecniche di fonderia tradizionali Colata in conchiglia: Produzione di serie, anche inferiore rispetto alla pressocolata; Possibilità di eseguire trattamenti termici successivi al fine di incrementare le proprietà meccaniche del pezzo; Buona finitura superficiale del pezzo ottenuto. Pressocolata: Altissimi volumi produttivi, ingente investimento iniziale. Pezzi con elevati standard di conformità alle specifiche di fabbricazione, con geometrie molto complesse, tolleranze dimensionali ristrette, alte caratteristiche meccaniche; Impossibilità di eseguire trattamenti termici successivi. 3

4 E la thixoformatura? Possibilità di produrre grandi serie di pezzi permettendo di eseguire successivamente trattamenti termici; Elevata finitura superficiale, con la produzione di pezzi di qualità analoghe ai pressocolati ma con il vantaggio di possedere una porosità ridotta; Pezzi prodotti near net shape. 2 processi tradizionali Thixocasting fs~0.5 Rheocasting fs<

5 Composizione: La lega analizzata Al Si x Mg y Cu z contenente Ag w Proprietà thixotropiche: Diminuzione di viscosità se il metallo è sottoposto ad azioni di taglio; Iniezione in stampo con moto laminare non turbolento; Tipica struttura globulare (non dendritica) ottenibile tramite agitazione. 5

6 ..Procedure operative.. La lega è stata sottoposta ad un trattamento di tempra di solubilizzazione e invecchiamento artificiale; Le T di solubilizzazione scelte sono pari a 500 e 510 C; Sono state prodotte 2 leghe in cui è stata fatta variare solo la percentuale di argento per valutare in quale caso fosse possibile coniugare nel modo ottimale il binomio seguente: 1. elevato costo del materiale se si intende produrre in grandi serie; 2. maggiore incremento delle caratteristiche meccaniche della lega. 6

7 ..Procedure operative.. I campioni sono stati osservati al microscopio ottico per indagare gli effetti del trattamento sulla microstruttura. Successivamente sono state effettuate prove di microdurezza Vickers (HV) per testare l effettivo incremento delle prestazioni meccaniche e, di conseguenza, la bontà del trattamento. 7

8 ..Procedure operative.. Per i campioni appartenenti alla lega con l 1% di argento si è scelto di operare nel modo seguente: invecchiamento per le 170, 180, 190 C; prove HV per ciascuna temperatura d invecchiamento ad intervalli regolari di due ore, corrispondenti a: 2 ore; 4 ore; 6 ore; 8 ore. 8

9 Risultati delle prove sperimentali Solubilizzazione A 510 C Ag 1% Condizione di trattamento T ageing feb ,11 98,37 107,03 97,88 delta min 8,25 8,09 6,83 8,74 delta max 7,69 4,63 6,47 15,62 Condizione di trattamento ,63 109,08 108,64 104,53 delta min 3,80 7,48 12,32 6,63 delta max 5,37 7,72 10,16 8,97 Condizione di trattamento ,41 101,14 100,05 97,26 delta min 8,27 7,31 3,73 8,12 delta max 12,99 6,16 7,25 8,54 9

10 Confronto grafico tra le T indagate 120 Microhardness 120 Microhardness HV _ Aged at 170 C HV _ Aged at 180 C Time [hours] Time [hours] HV _ Microhardness Time [hours] Aged at 190 C 10

11 Confronto grafico tra le T indagate HV _ Microhardness Time [hours] Aged at 170 C Aged at 180 C Aged at 190 C 11

12 Ulteriore indagine sulla lega con lo 0.6% In seguito si è deciso di indagare la medesima lega con la percentuale di argento inferiore per verificare: l impatto sui costi di produzione (risparmio sui costi del materiale: prezzo di mercato odierno dell Ag = 345 /Kg pari a /t); la possibilità di incrementare ulteriormente le prestazioni meccaniche. Inoltre: sono stati indagati altri due intervalli di tempo, 10 ore e 12 ore, considerando anche un altra temperatura d invecchiamento (150 C). 12

13 Risultati sperimentali lega 0.6% T ageing in m inuti Solubilizzazione a 510 C T ageing Ag 0.5% ,79 76,27 78,67 97,83 103,31 104,16 104, ,79 102,30 103,78 112,82 110,45 103,91 106, ,79 73,04 90,38 103,02 101,10 95,45 93, ,79 78,54 86,22 80,25 92,46 94,00 94,95 13

14 Confronto grafico tra le T indagate Silver content: 0.6% - Solubilization at 510 C HV _ Time [hours] 170 C Ageing 180 C Ageing 190 C Ageing 150 C Ageing 14

15 Micrografie dei campioni ottimi 15

16 Micrografie dei campioni invecchiati a 190 C A temperature superiori a 180 C si verifica un eccessiva coalescenza dei globuli Risultati strutturali e di durezza insoddisfacenti. 16

17 ..E i costi di produzione billette? Supponendo i seguenti Dati: - capacità produttiva di 655 m/giorno (su 3 uscite); m/giorno = 11,35 m/ora; - η = 0.8 (fattore d utilizzo); - V = 190 m/min. - Supponendo di disporre di un isola di lavoro ottimale a seguito di un investimento di di euro ammortizzato in 5 anni, le spese da sostenere saranno pari a 200 /t. 17

18 Costi di produzione ulteriori Metano 90*0.22 (costo metano per tonnellata) 20 /t Stirrer 72*0.08 (costo kilowattora) 6 /t Altri costi elettrici Asservimento macchinari, pompe etc 12 /t Manodopera diretta /t Materiali di consumo Grasso per i macchinari, refrattario etc 30 /t Calo dovuto alla fusione(3%) Su base di 1736 /t(valore dell alluminio primario sul mercato dei metalli) 55 /t Ammortamenti /t TOTALE 450 /t Tale costo va unito al valore di mercato dell Al primario pari a 1736 euro a tonnellata per un totale di circa 2200 euro/tonnellata. L acquisto invece comporta un esborso di circa 2500/2600 euro/tonnellata 18

19 Conclusioni L effetto dei trattamenti termici ha prodotto risultati migliori sulla lega contenente lo 0.6% di Ag a 180 C (114,67 HV). Giusto binomio tra incremento caratteristiche meccaniche e costi. La lega con una %Ag maggiore ha presentato una microstruttura più vicina a quella ricercata ed ha ottenuto una buona durezza. A T maggiori si verifica un eccessiva coalescenza dei globuli. T inferiori: troppo basse per ottenere risultati soddisfacenti. Possibilità di applicazioni industriali. 19

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