Convegno ASSOFOND; Università di Padova sede di Vicenza 26-27/ottobre/2012. Docente: Manente Andrea. Cell.

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1 Convegno ASSOFOND; Università di Padova sede di Vicenza 26-27/ottobre/2012 Docente: Manente Andrea Cell Le informazioni contenute in questo documento sono proprietà di Manente Andrea; per l utilizzo a scopo didattico o per eventuali copie si dovrà fare richiesta al docente. cell

2 Analisi dei principali difetti di fusione rilevati nei getti prodotti nelle più diffuse tecnologie di colata. a) Fusione in sabbia verde b) Fusione in conchiglia c) Fusione in presso colata 2

3 Difetti rilevati sui getti colati in conchiglia e in terra dati da una non corretta gestione del sistema di alimentazione e di filtraggio. Tecnologie di fusione a) e b) Durante la fase di colata del metallo, nella cavità dello stampo metallico o nella forma in terra e nella successiva solidificazione, si possono originare dei difetti sui getti, qualora non vengano utilizzati correttamente i metodi di colata che sono alla base dei principi delle fusioni in gravità: filtrazione del metallo liquido, corretto dimensionamento degli alimentatori e dei canali di colata, corretta gestione del regime termico dello stampo e corretta gestione della modifica e del degasaggio. Tali difetti possono essere suddivisi e catalogati nel seguente modo: a) difetti originati da una non corretta filtrazione e regolazione del flusso (pelli da turbolenza ossidi e inclusioni non metalliche) b) difetti originati da mancata alimentazione (micro e macro cavità da ritiro). Indipendentemente dalla loro grandezza, questi difetti hanno la particolarità di ridurre sensibilmente, le caratteristiche meccaniche, il limite a fatica, la lavorabilità alle macchine utensili e la tenuta a pressione; in sintesi la qualità dei getti. Si è quindi ritenuto indispensabile applicare correttamente e sistematicamente i metodi di colata in grado di ridurre se non eliminare, le problematiche poc anzi descritte mediante l adozione di filtri (punto a) nei canali di colata il più vicino possibile ai getti, e allo stesso tempo posizionare dei montanti di carico (punto b) nei punti del getto dove a causa della elevata massa, si concentrano maggiormente le cavità da ritiro generate dalla contrazione volumetrica o dove per necessità di progettazione vi siano forti disomogeneità di sezione. Un punto importante che non deve essere trascurato, è il corretto regime termico dello stampo e la corretta applicazione del trattamento di modifica, parametri indispensabili per una corretta fusione. 3

4 Difetti rilevati sui getti dovuti ad una errata filtrazione Difetto Effetto meccanico del filtro ceramico: blocco delle impurità e regolazione del flusso 1) Inclusioni non metalliche 2) Ossidi e Pelli da turbolenza 3) Erosione della forma Entrata del metallo nel getto; moto laminare Filtro Fase di riempimento; moto turbolento inglobamento d aria Canale di colata 4

5 Inclusioni non metalliche rilevate sui getti Analisi macrografica del difetto Analisi al SEM del difetto Particolare di difetto rilevato nel provino metallografico. Aspetto della superficie di frattura netta; estremamente fragile Aspetto della superficie di frattura netta; estremamente fragile Particolare di scoria Analisi micrografica di difetto. 5

6 Inclusioni non metalliche rilevate sui getti Analisi macrografica del difetto Analisi macrografica del difetto Analisi al SEM del difetto Aspetto visivo dell inclusione dopo lavorazione meccanica Aspetto della superficie di frattura netta; estremamente fragile Particolare di scoria Aspetto della superficie di frattura netta; estremamente fragile Analisi micrografica del difetto 6

7 Inclusioni non metalliche rilevate sui getti; composizione chimica L analisi alla microsonda, evidenzia numerosi ossidi MgO, CaO, Al 2 O 3 e FeO. Sono state rilevate tracce rilevanti anche di Cloruri di potassio ClK probabilmente introdotti per condizioni di scorifica non corretta. 7

8 Come si originano le inclusioni non metalliche Scoria sopra il bagno La fiamma del bruciatore e l aria, a contatto con la lega liquida tende ad ossidarla formando ossido (scoria). La quantità di ossido è direttamente proporzionale alla qualità della lega, alla pulizia dei boccami introdotti in forno e alla corretta gestione del bruciatore. Lega solida Scoria Lega fortemente ossidata Liquido Fiamma Metodi di rimozione delle inclusioni non metalliche: Azione chimica: disossidazione del bagno mediante l uso di sali scorificanti Meccanica: rimozione della scoria in forno mediante pale, e filtraggio delle inclusioni e degli ossidi prima del getto mediante l uso di filtri posti nei canali di colata 8

9 Ossidi e pelli da turbolenza rilevate sui getti; analisi tipiche di laboratorio Analisi macrografica del difetto Analisi macrografica del difetto Pelle superficiale originata da turbolenza Particolare di pelle generata dalla turbolenza Particolare di pelle generata dalla turbolenza 9

10 Gocce fredde da turbolenza rilevate sui getti fusi in terra Analisi macrografica del difetto Analisi micrografica del difetto Pelle superficiale originata da turbolenza Particolare di goccia fredda formata per effetto della turbolenza 10

11 Cavità generate da turbolenza rilevate sui getti fusi in terra e in conchiglia Analisi macrografica del difetto Analisi micrografica del difetto Pelle superficiale originata da turbolenza Particolare di ossido con cavità da aria inglobata; turbolenza 11

12 Erosione della forma causata dall eccessivo moto turbolento della lega; analisi tipiche di laboratorio Il moto turbolento del metallo in entrata può erodere la forma in sabbia alterandone le dimensioni superficiali del getto e la geometria. La lega durante il suo percorso vorticoso porta con se la sabbia erosa depositandola casualmente nel getto. In pratica un inclusione non metallica delle ripercussioni sulle caratteristiche meccaniche e di fatica del getto e sulla lavorabilità. Zona del getto con anomalia dimensionale per la rottura della forma Particolare di cristalli di sabbia intrappolati nella lega 12

13 Erosione della forma a verde provocato dal moto turbolento della lega. Nelle parti della forma con cambi di direzione del flusso di liquido dove la corrente di metallo arriva con elevata velocità si possono verificare dei fenomeni di erosione superficiale dell anima o della forma 13

14 Difetti rilevati sui getti dovuti ad una precaria alimentazione Durante il passaggio di stato da liquido a solido, la lega si contrae volumetricamente. Tale riduzione di volume è legata alla composizione chimica e viene gestita mediante l utilizzo di alimentatori naturali o assistiti nel caso dei getti colati in sabbia, o con l uso di vernici particolarmente isolanti applicate nelle materozze dei getti in conchiglia. Tuttavia vi possono essere dei casi dove nonostante vengano applicati correttamente le principali tecniche di alimentazione, nel getto possono comparire delle cavità da ritiro diffuse che causano la spugnosità visibile ai RX. Un caso fra tutti può essere rappresentato dall assenza della modifica al Na o allo Sr. Qui sotto sono state sintetizzate le principali cause di difetto. 1) Macro e micro cavità da ritiro originate da grossi cambi di sezione non correttamente alimentate 2) Micro cavità da ritiro originate da ridotta Difetto alimentazione della lega per mancanza di modifica 3) Micro cavità da ritiro originate da una inadeguata materozzatura 4) Errata verniciatura delle materozze e dei canali di colata Particolare di macrocavità da ritiro 14

15 Difetti rilevati sui getti dovuti ad una precaria alimentazione; contrazione volumetrica della lega durante la solidificazione Al-4%Cu 8.8 % Al puro 8.0 % Al-5%Mg-Si 6.7 % Al-7%Si-2%Cu-Mg 6.5 % Al-5%Cu 6.0 % Al-4%Cu-2%Ni-Mg 5.3 % Al-5%Si-2%Cu 5.2 % Al-10%Si 5.0 % Al-5%Si-1%Cu 4.9 % Al-5%Zn-Mg 4.7 % Al-1%Mg-Si 4.7 % Al-7%Si-Ni-Mg 4.5 % Al-5%Si-2%Cu-Mg 4.2 % Al-9%Si-Mg 3.4 % Al-12%Si 3.5 % Lega dall elevata contrazione volumetrica; dimensionamento generoso degli alimentatori Lega dalla media contrazione volumetrica; dimensionamento medio degli alimentatori Lega dalla bassa contrazione volumetrica; dimensionamento medio degli alimentatori 15

16 Difetti rilevati sui getti dovuti ad una precaria alimentazione/solidificazione Filtro A Caso A totale assenza dei metodi di colata (alimentatori). Tipologia dei difetti: macro e micro cavità da ritiro B Filtro Caso B applicazione dei metodi di colata (alimentatori naturali). Tipologia dei difetti: possibili micro cavità da ritiro zona attacco materozza Filtro C Caso C applicazione corretta dei metodi di colata (alimentatori assistiti). Tipologia dei difetti: assenza di difetti (micro cavità da ritiro) se correttamente dimensionate 16

17 Macro cavità da ritiro rilevati sui getti dovuti ad una precaria alimentazione; forti disomogeneità di sezione scarsamente alimentate Analisi macrografica del difetto Particolare di difetto rilevato nel provino metallografico. Analisi micrografica del difetto A B Forte variazione di sezione lontano da alimentatori o dai canali di colata La foto micrografica evidenzia molto chiaramente come le dendriti di soluzione solida a, non si siano sviluppate per mancanza di alimentazione. Particolare ingrandito della cavità da ritiro; mancata alimentazione 17

18 Micro cavità da ritiro rilevati sui getti dovuti ad una precaria alimentazione; lega non modificata Particolare di difetto rilevato nel provino metallografico. Analisi micrografica del difetto Analisi micrografica del difetto Getto fuso con lega senza modifica Getto fuso con lega modificata 18

19 Micro cavità da ritiro rilevati sui getti dovuti ad una precaria alimentazione; errato dimensionamento delle materozze Analisi macrografica del difetto Analisi macrografica del difetto Analisi micrografica del difetto B C A Particolare di cavità da ritiro; zona calda del getto Fig. 1 Particolare di materozza non correttamente dimensionata. Come si vede dalla foto (fig. 1), la contrazione volumetrica è avvenuta in prossimità del getto zona A e non nella zona contraddistinta dalla lettera B, lontana dal getto. In questo modo il punto caldo si è spostato verso il getto formando delle cavità da ritiro. Nella foto di (fig. 2) zona C si nota come il punto caldo si sposta sempre nella materozza dimensionata in modo corretto Fig. 2 19

20 Micro cavità da ritiro rilevati sui getti dovuti ad un errato regime termico dello stampo Sbilanciamento termico di una zona del getto dovuta alla differente massa. Per capire come questo può succedere, è necessario applicare una serie di termocoppie nello stampo come rappresentato nel disegno qui a lato. Una corretta solidificazione di un getto fuso in gravità, dovrebbe essere rappresentata come nel disegno sotto evidenziato 20

21 C Esempio di non corretto regime termico dello stampo Come si nota nel tracciato tempo temperatura, durante una fermata produttiva anche se di tempo ridotto, la zona dello stampo rappresentato dalla termocoppia gialla e fucsia, successivamente alla ripartenza, man mano che si cola, per inerzia termica si surriscalda alterando il ciclo termico corretto 21

22 Esempio di corretto regime termico dello stampo C In questo caso si nota come il ciclo termico sia corretto rispettando la solidificazione nella zona del getto evitando la formazione dei difetti come le cavità da ritiro. 22

23 Come si analizza il punto caldo. Esempi applicativi dell analisi dello SDAS nei getti con delle difettosità. Calcolo dello SDAS 1 d SDAS n SDAS= d = m n SDAS 30 m SDAS 46 m Esempio di un getto che presenta delle cavità, ottenute tramite l inserimento di anime all interno dello stampo. Nella zona centrale, dove sono presenti le cavità da ritiro generate dalla contrazione volumetrica non bilanciata dalle materozze, i valori dello SDAS sono più elevati rispetto alle zone più esterne. 23

24 Esempio di non corretto regime termico dello stampo dovuto ad un riscaldamento localizzato L utilizzo delle torce per il riscaldo dello stampo, comporta un innalzamento incontrollato della temperatura in una zona ben localizzata, generando un inefficiente scambio termico in fase di raffreddamento del getto nel punto descritto; il risultato di tale operazione, se mal gestita, è appunto la formazione di cavità da ritiro concentrate 24

25 La zona calda che si verifica sul getto causata dall utilizzo delle torce, ha comportato uno sbilanciamento termico localizzato. In particolari condizioni di scarsa alimentazione, la zona del getto soggetta tenderà a svuotarsi creando delle cavità da ritiro. 25

26 Il giunto freddo nei getti fusi in conchiglia I giunti freddi trovano origine nelle zone dello stampo dove il regime termico non è corretto (stampo freddo) o quando la lega liquida viene colata ad un temperatura troppo vicina a quella di solidificazione 26

27 Il giunto freddo nei getti fusi in sabbia a verde Particolare di giunto freddo che Interessa buona parte della sezione del getto. Costituisce un innesco di cricca. 27

28 Difetti provocati dalla presenza di gas La solubilità dell H nell alluminio ha tre caratteristiche: 1) forte dipendenza con la temperatura nella fase liquida 2) scarsa solubilità nella fase solida 3) grossa variazione di solubilità alla temperatura di fusione dall elevata temperatura. In allegato il diagramma della solubilità dell H nella lega in relazione alla temperatura. Come si può osservare oltre la temperatura di 680 C l H assunto dalla lega sale vertiginosamente 28

29 Difetti rilevati sui getti provocati da un eccessiva gasatura della lega. Getto fusi in conchiglia Getto fusi in sabbia Getto fusi in presso colata 29

30 Riduzione delle caratteristiche tecnologiche dei getti. L aumento del tenore di H nella lega può peggiorare sensibilmente alcune caratteristiche dei getti come: a) Caratteristiche meccaniche limitate data la riduzione di sezione esercitata dalle cavità sull intera sezione della provetta. b) Caratteristiche tecnologiche come tenuta a pressione, saldabilità. c) Aspetto superficiale del getto dopo lavorazione meccanica. Diminuzione della sezione resistente 30

31 Brevi cenni sul principio di solidificazione del metallo nello stampo nei getti presso colati Una delle caratteristiche che elevano l interesse nei getti prodotti con la tecnologia della presso colata, è l ottenimento di grezzi dalle tolleranze dimensionali molto ristrette. La ridotta tolleranza dimensionale (in assoluto la più bassa ottenibile rispetto alle altre tecnologie come bassa pressione, conchiglia a gravità, terra), è principalmente dovuta alla impedita contrazione volumetrica della lega durante la solidificazione, data dalla continua pressione esercitata dal pistone; si ottiene così una adeguata adesione della lega alle pareti dello stampo. E comunque importante affermare che il difetto da ritiro è comunque ineliminabile (risucchi interni), nonostante l elevata velocità di solidificazione e la pressione esercitata, portino sicuramente un contributo efficace alla riduzione dei difetti. Come nelle altre tecnologie di colata, un ruolo determinante lo gioca il metallo ancora liquido proveniente dalla materozza. In effetti sfruttando la cavità centrale del getto non ancora consolidata, riesce ad alimentare le zone con evidenti diversità di massa (zone massive), durante la solidificazione, minimizzando i difetti descritti come risucchi. Perché questa alimentazione interna al getto avvenga, occorre che i tempi di iniezione, i parametri di pressione e il ciclo di riempimento della cavità dello stampo avvenga in tempi ben precisi. Queste considerazioni portano alla conclusione che la gestione oculata dei parametri di fusione sono l indice diretto all ottenimento di getti dalla elevata qualità interna. Nei getti in presso colata si possono avere una serie di difetti come per esempio: a) Inclusioni non metalliche (punti duri) b) Aria inglobata durante l iniezione c) Blister d) Giunti freddi e) Gocce fredde f) Scorrimento del metallo all interno dello stampo g) Metallizzazione del getto sullo stampo h) Erosione dello stampo i) Rotture dello stampo 31

32 Precaria pulizia del crogiolo a bordo macchina. Esempi applicativi rilevati maggiormente nella tecnologia di presso colata dovuta all utilizzo di leghe secondarie Lega solida Agitazione del fondo melmoso mediante l introduzione di lingotti Produzione di getti dalla notevole quantità di inclusioni deleterie, per la qualità superficiale del getto, per le caratteristiche meccaniche e per l usura provocata ai taglienti durante la lavorazione meccanica Particolare di inclusioni non metalliche 32

33 Lega solida Fusione dei lingotti direttamente nel bagno di lega liquida utilizzata per la fusione dei getti. Particolare di agglomerato punti duri Sedimenti in sospensione Sedimenti Punti duri Punti duri Lega EN AB Lega Pyral 33

34 Dinamica della formazione dei punti duri per sedimentazione degli elementi pesanti. Quando si inserisce nel bagno fuso a 720 C (temperatura di lavoro) un lingotto, anche se preriscaldato, si innesca un immediato Dt C con la lega liquida. Ipotizzando di introdurre il lingotto preriscaldato alla temperatura di 100 C (per evitare pericolose esplosioni), il Dt C sarà di 620 C. Nel tempo che intercorre tra l inserimento del lingotto e la sua fusione, gli elementi come Fe, Cr, Cu, Mn, Ni, contenuti nella lega liquida nel crogiolo, perdono la loro solubilità con l alluminio, precipitando verso il fondo del lo stesso in virtù del loro elevato peso specifico, addensandosi in costituenti grossolani denominati punti duri. Ripetendo l operazione varie volte, si andrà a costituire sul fondo del crogiolo uno strato melmoso via via maggiore. Lo strato melmoso assume una pericolosità elevata se viene agitato, in quanto di disperde nella lega che verrà successivamente prelevata dalla tazza per alimentare un nuovo ciclo di lavoro con la fusione di un getto; l agitazione può essere data semplicemente caricando dei lingotti. Fe 7,86 g/cm 3 la solubilità del Fe nell alluminio è paria a 0,05% alla temperatura di 655 C, a temperatura di circa 500 C è già quasi a 0. Cr 7,19 g/cm 3 la sua solubilità nell alluminio alla temperatura di 661 C è pari allo 0,77% Cu 8,9 g/cm 3 solubilità massima del 5,7% alla temperatura di 547 C. A temperatura ambiente è ridottissima Zn 7,14 g/cm 3 unico elemento che anche a temperatura ambiente la sua solubilità è di circa il 2% Mn 7,2 g/cm 3 la sua solubilità a 658 C è pari a 1,82% ma già a 500 C è del 0,36%. Ni 8,9 g/cm 3 anche alla temperatura di 640 C la solubilità nell alluminio è ridottissima 34

35 Dinamica della formazione dei punti duri per sedimentazione degli elementi pesanti. Temperatura della lega a contatto con la superficie del lingotto Dt C 620 T C bagno 720 Composti che sedimentano T C lingotto

36 Osservazione macrografica e micrografica dei difetti sui getti provocati da ossido di Al Particolare di corindone Particolare di difetto Particolare di corindone nella lega 36

37 Cavità nei getti causati da aria di iniettata durante la fusione. Presso colata Esempio di aria inglobata 37

38 La formazione dei Blister dovuti all aria inglobata durante l iniezione. Presso colata Esempio di Blister Il riscaldo dei getti a temperatura di ricottura, può provocare un aumento di volume dell aria inglobata, tale da deformare il getto per effetto della plasticità della lega alla temperatura di ricottura 38

39 I giunti freddi nei getti presso colati Particolare di giunto freddo superficiale o detta anche Sfogliature. 39

40 Particolare di giunto freddo che interessa buona parte della sezione del getto. Costituisce n innesco di cricca molto rosso. 40

41 Gocce fredde; discontinuità del metallo. Osservazione micrografica Particolare di goccia fredda superficiale Sezz. A Particolare di goccia fredda superficiale sezionata Sezz. A Particolare di goccia fredda vista in micrografia 41

42 Particolari di gocce fredde 42

43 Sovrapposizione o zone di scorrimento di metallo freddo all interno dello stampo. Zone di scorrimento freddo Nei casi in qui lo stampo è troppo freddo si può verificare una perdita di fluidità tale della lega prima ancora che il pistone possa addensare la struttura metallica. Possibili azioni di miglioramento: a) innalzare la temperatura dello stampo mediante la riduzione del tempo di lubrificazione, b) diminuire la diluizione del lubrificante al fine di mantenere inalterata la quantità di distaccante sullo stampo (consistenza del film di distaccante). 43

44 Metallizzazioni su spine ed altre zone dello stampo surriscaldate Questo tipo di problematica si verifica generalmente sulle zone maggiormente surriscaldate per varie cause: elevata velocità di scorrimento del metallo, o maggior spessore del getto localizzato. Entrambi i due casi sono comunque interessati da una maggior temperatura del getto e quindi ad una più lenta solidificazione e raffreddamento, che ha causato la distruzione del film di distaccante. Si può ovviare a questo inconveniente nei seguenti modi: a) maggiorando l uso o il tempo di applicazione del lubrificante raffreddando la zona interessata. b) ottimizzando la portata dell ugello orientandolo correttamente nella zona medesima. Effetti delle metallizzazioni Particolare di spina con evidenti metallizzazioni Effetti delle metallizzazioni 44

45 Erosione dello stampo provocato dal moto turbolento della lega. L erosione dello stampo, può essere una delle cause di metallizzazione. Le cause possono essere molteplici come per esempio una velocità eccessiva della lega e al moto turbolento che questa assume all interno della cavità dello stampo in prossimità di curve, sezioni di passaggio disomogenee e velocità d iniezione molto elevate. E tuttavia un genere di difetto che si presenta in uno stampo che ha prodotto una notevole quantità di getti. Se l erosione non crea problemi di metallizazione, la produzione dei getti viene sospesa solo quando la qualità superficiale non viene eccessivamente compromessa. Lieve variazione della direzione del flusso, sezioni di passaggio poco disomogenee Brusche variazioni del flusso associate ad una variazione di sezione Difetto superficiale (rugosità) data dall erosione dello stampo 45

46 Rotture dello stampo dovute allo stress termico. Contrazione ciclica dello stampo Quando uno stampo è sollecitato termicamente (riscaldo e raffreddamento), si verificano delle sollecitazioni meccaniche in grado di innescare delle microcricche superficiali. Le zone Maggiormente a rischio allo stress meccanico sono: zone in colata e pareti fini. Queste anomalie possono rappresentare per la lega, sfruttando la notevole pressione, delle zone dove incunearsi formando quindi delle microsaldature; anche in questo caso possiamo parlare di metallizzazione. Gli effetti indesiderati sui pezzi possono essere considerati di natura estetica Raffreddamenti Particolare di stress meccanico sullo stampo; micro cricche superficiali 46

47 Come si posso vedere le cricche su di uno stampo Stampo non pulito; non si notano le cricche Difetto sul getto Stampo sabbiato; si notano le cricche 47

48 Per la realizzazione di questa memoria sono state utilizzate molte immagini ed informazioni tecniche che sono contenute nel libro: La fonderia di alluminio nella pratica quotidiana.