L'analisi termica nelle gs - Assofond
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J.Alva<br />
Servizio tecnico<br />
Tesi SpA
L’analisi <strong>termica</strong><br />
Consiste nella registrazione ora mediante software<br />
dell’andamento della temperatura nel tempo di un<br />
campione di metallo colato solitamente in un crogiuolo di<br />
sabbia contenente una termocoppia.<br />
Il risultato è una curva che a seconda del tipo di crogiuolo<br />
adoperato può fornire informazioni sia del tipo<br />
compositivo che comportamentale.
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong><br />
Tradizionalmente l’analisi <strong>termica</strong> è stata adoperata per<br />
determinare la composizione chimica delle ghise basso<br />
legate in base al principio che ad ogni temperatura di<br />
fusione (Tl) corrisponde in modo univoco un’unica<br />
composizione come anticipato dal diagramma ferrocarbonio<br />
sebbene per bisogni di correlazione matematica<br />
si adoperi la formulazione CEL<br />
La relazione fra temperatura di solidificazione (Ts) e la %<br />
di (silicio + fosforo) permette poi di derivare il CE. Per<br />
ottenere un valore stabile di tale temperatura si rende<br />
necessaria l’aggiunta di tellurio atta a favorire la<br />
solidificazione bianca (metastabile) del metallo.
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong><br />
Relazione fra Tl e CEL (r: 0,99)<br />
CEL: %C+ % Si/4 + % P/2 (Heraeus)
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong><br />
Relazione fra temperatura di solidificazione<br />
(Ts) e contenuto di silicio e fosforo (r: 0,98)<br />
Ts = 1138.2 – 6.4 (Si + 4P) – 1.65 (Si + 4P)²<br />
(Heraeus)
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong><br />
Una prima applicazione dell’analisi <strong>termica</strong> senza l’aggiunta di tellurio fu<br />
fatta nella messa a punto di produzioni in ghisa grigia in quanto si scoprì<br />
che esisteva un rapporto fra sottoraffreddamento (ΔT), il conteggio di<br />
celle ed il tipo di struttura. A maggior ΔT corrispondono strutture meno<br />
favorevoli (A-> C e/o D) e un conteggio di celle più basso.<br />
Il sottoraffreddamento (ΔT) è la differenza fra la temperatura ideale di<br />
solidificazione (1.150°C per convenzione) e la temperatura minima<br />
raggiunta del liquido prima dell’avvio della solidificazione vera e propria<br />
(eutettica). La recalescenza R è invece la differenza fra la temperatura<br />
massima raggiunta e quella minima.<br />
Il sottoraffreddamento (ΔT) è proporzionale all’altezza della tempra nel<br />
relativo provino. Valori superiori ai 10° C porta alla formazione di carburi<br />
<strong>nelle</strong> sezioni sottili (
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> <strong>nelle</strong> ghise grigie<br />
ΔT: 5°C<br />
ΔT: 15°C<br />
Esempi di relazione fra sottoraffreddamento, conteggio di celle e<br />
struttura (da K.H.Caspers)
Tempra e sottoraffreddamento<br />
L’altezza “h” nel provino è proporzionale al sottoraffreddamento ΔT
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> <strong>nelle</strong> gg<br />
Nelle ghise grigie ad un andamento oscillante anche marcato del<br />
sottoraffreddamento non corrisponde altrettanta variabilità<br />
nell’andamento della recalescenza.
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> <strong>nelle</strong> gg<br />
Il controllo strutturale della grafite può essere fatto monitorando il<br />
sottoraffreddamento come regolato dall’inoculazione (periodo 1 mese)
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> nell’ottimizzazione del<br />
ritiro nei bagni di ghisa sferoidale<br />
• Nelle <strong>gs</strong> la formazione dei ritiri per una data<br />
configurazione geometrica del particolare ha due<br />
sorgenti: la qualità della formatura (rigida o meno) e<br />
quella metallurgica.<br />
• Il posizionamento pressoché coincidente dei difetti<br />
conseguenti (delle porosità opp. microcavità) rende<br />
ardua la discriminazione della causa sebbene spesso<br />
(per comodo) la si addebiti alla formatura.
Porosità di origine metallurgica presente anche nella formatura<br />
cosiddetta rigida a causa della qualità del materiale di carica<br />
(a) (b)<br />
Getti di prova a “T” spessore 50 mm prodotte in forme al silicato (a) con<br />
risucchi nel baricentro termico (b) senza risucchi dopo modificare la carica<br />
e introdurre il precondizionamento.
Controllo della qualità<br />
metallurgica<br />
• L’influenza della pratica metallurgica sui ritiri ha<br />
portato a coniare il termine “Qualità metallurgica”.<br />
Il termine si presta spesso a valutazioni soggettive.<br />
• Ma in che modo può essere controllata o<br />
monitorata la qualità metallurgica?<br />
• Non esiste al momento altro strumento che<br />
l’analisi <strong>termica</strong>. Per illustrare l’argomento ci<br />
serviremo di Thermocheck, un software<br />
sviluppato in Italia.
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> <strong>nelle</strong> <strong>gs</strong><br />
Le <strong>gs</strong> sono ghise eutettiche o ipereutettiche. Come le ghise<br />
grigie sono soggette al fenomeno del sottoraffreddamento<br />
che regola il numero di noduli ma solo marginalmente la<br />
loro forma. Valori alti possono portare anche qui alla<br />
formazione di carburi <strong>nelle</strong> sezioni sottili.<br />
Idealmente la curva di solidificazione a differenza di<br />
quella delle gg dovrebbe avere un andamento piatto che<br />
vuol dire zero sottoraffreddamento e zero recalescenza.<br />
Tuttavia il profilo della curva assume andamenti che<br />
variano da fonderia a fonderia e non di rado anche nella<br />
singola realtà da una misurazione all’altra.
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> <strong>nelle</strong> <strong>gs</strong><br />
Curva vicina alla idealità: sottoraffreddamento (2,7°C) e recalescenza<br />
(2,9°C) entrambi bassi, eutettico abbastanza regolare a 1149°C e a<br />
chiusura breve (angolo chiuso). La curva si presenta estesa. La derivata<br />
prima (in verde) si presenta equilibrata da inizio a fine
L’impiego dell’analisi <strong>termica</strong> <strong>nelle</strong> <strong>gs</strong><br />
Una solidificazione eutettica a temperatura alta e costante<br />
implica una distribuzione regolare del carbonio sotto forma<br />
di grafite e quindi una migliore compensazione dei ritiri. Le<br />
curve si presentano più estese nel tempo.<br />
I fattori influenti sono il materiale di carica, il tipo e marcia<br />
del forno, le leghe adoperate e non ultimo la modalità di<br />
preparazione e colata del metallo.<br />
Ogni sforzo va compiuto allo scopo di assicurare come<br />
minimo, una ripetibilità dell’andamento delle curve<br />
Di seguito una serie di esempi di curve ricavate dalla realtà<br />
operativa anche a distanza di alcuni minuti .
Esempio1
Esempio 2
Esempio 3
Esempio 4
Esempio 5
Esempio 6
Esempio 7
Esempio 8
Esempio 9
Esempio 10
Esempio 11
Esempio 12
Esempio 13
Esempi curve AT – casi specifici 1<br />
(a) (b)<br />
Curve che presentano (a) eccessivo sottoraffreddamento (11°C) e poca<br />
recalescenza (4°C) (b) sottoraffreddamento più contenuto ma eutettico a<br />
temperatura variabile decrescente. In entrambi i casi l’angolo di chiusura<br />
nela curva derivata è aperto
Esempi curve AT – casi specifici 2<br />
(a) (b)<br />
(a) Recalescenza prematura con eutettico a temperatura decrescente in<br />
assenza di sottoraffreddamento per eccesso del livello di nucleazione (b)<br />
molto sottoraffreddamento e quasi assenza di eutettico (cariche rottame vario)
Esempi curve AT – casi specifici 3<br />
(a) (b)<br />
(a) Presenza si austenite primaria (sotto il cerchio) in una ghisa eutettica<br />
prima del precondizionamento (b) dopo precondizionamento c/0,1% grafite
Presenza anomala di austenite primaria<br />
(a) (b)<br />
(a) Aspetto del ritiro senza precondizionamento (b) dietro<br />
precondizionamento con 0,1% di grafite Desulco
Analisi <strong>termica</strong> –<br />
sovrainoculazione<br />
(a) (b)<br />
Effetto della sovrainoculazione sulla sanità dei getti. L’entità del<br />
difetto è passata dalla porosità alle cavità (a) nel pezzo (b) nel<br />
raccordo getto-materozza
Interventi<br />
Abbiamo appena illustrato come sia variegato il<br />
comportamento dei bagni in ghisa sferoidale durante la<br />
solidificazione se osservata attraverso l’analisi <strong>termica</strong> e<br />
quindi non dobbiamo stupirci per improvvise defaillance.<br />
Dobbiamo solo abituarci a monitorarlo in modo regolare.<br />
Se l’andamento delle curve risultano altalenanti fra un<br />
trattamento e l’altro ciò è segno di precarietà della pratica<br />
metallurgica e quindi va corretta. Per verificare se il bagno<br />
si discosta sensibilmente dalle condizioni ideali conviene<br />
verificare per primo il metallo di base giacché interventi<br />
sanatori sulla ghisa già trattata non sono possibili.
Ecco i valori di riferimento:<br />
1.Sottoraffreddamento ≤ 3°C considerando una temperatura<br />
di riferimento per la solidificazione di 1.150°C;<br />
2.Recalescenza ≤ 3°C<br />
3.Temperatura finale (del solidus) dopo trattamento e<br />
inoculazione > 1.100°C.<br />
4.Velocità alla fine della solidificazione (< -3°C/sec)<br />
5.Euttetico bilanciato. Le aree a monte e a valle della<br />
recalescenza non devono differire di più del 10-20 %. Ciò<br />
viene indicato dai software come Indice di ossidazione.
Indice di ossidazione<br />
(a) (b)<br />
L’indice di ossidazione rappresenta il rapporto fra l’area prima<br />
dell’eutettico ed il totale dell’area sotto l’eutettico (a) eutettico<br />
bilanciato (b) eutettico sbilanciato
Raccomandazioni<br />
Con la premessa che raramente i problemi di sanità sono<br />
associabili ad errori compositivi, è tuttavia consigliabile<br />
lavorare con composizioni in termini di CE congrui con<br />
gli spessori in giuoco: 4,20% min. per grossi spessori e<br />
4,50% max. per spessori sottili.<br />
Il valore minimo per il carbonio finale è 3,5 % mentre è<br />
del 2,2 % per il silicio. Valori più bassi favoriscono il<br />
sottoraffreddamento e l’estensione della crescita<br />
austenitica primaria e quindi i ritiri.
Note<br />
• Un alto conteggio di noduli non rivela<br />
necessariamente condizioni ottimali ma solo la<br />
presenza di richiami di inoculazioni all’ultimo<br />
momento.<br />
• E’ bene evitare tenori di magnesio alti (> 0,045<br />
%) specie se lo zolfo è basso (S< 0,006%).<br />
Evitare anche gli elementi carburigeni come il<br />
manganese oltre l0 0,3%.<br />
• Risultano importanti i ruoli giocati dalle terre<br />
rare nel favorire andamenti più favorevoli<br />
all’ottenimento di getti sani.
Conclusioni<br />
• Eseguire con regolarità le curve di raffreddamento:<br />
all’inizio con una frequenza maggiore e poi ad ogni nuova<br />
infornata per verificare la loro stabilità.<br />
• In caso negativo intervenire di conseguenza attraverso:<br />
1.Precondizionamento (essenziale)<br />
2.Prova di prodotti alternativi (leghe madri e inoculanti)<br />
3.Un buon bagno non elimina le materozze ma aiuta a<br />
minimizzare il loro numero!<br />
4. L’analisi <strong>termica</strong> (tektip+grigia) permette di valutare la<br />
congruenza fra composizione e comportamento del bagno.
Conclusioni<br />
5. Data l’enorme varietà dell’andamento delle curve trovate<br />
nella pratica e bene abituarsi ad interpretare le curve e non<br />
affidarsi alle indicazioni dei software!<br />
6. Per ultimo, la coppetta è un provino standard e non un<br />
getto con le proprie modalità di espansioni e contrazioni al<br />
suo interno.<br />
Quindi non dobbiamo pretendere che l’analisi <strong>termica</strong><br />
faccia delle previsioni valide per ogni particolare.