Analisi dei principali difetti di fusione rilevati nei getti ... - Assofond

Convegno ASSOFOND; Università di Padova sede di Vicenza
26-27/ottobre/2012
Docente:
Manente Andrea
Email:
manente.a64@gmail.com
Cell. 3454198583
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. 345 4198583.
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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
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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.
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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
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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 .
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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

°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

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.
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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.
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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

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

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
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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.
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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
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Difetti rilevati sui getti provocati da un eccessiva gasatura della lega.
Getto fusi in conchiglia
Getto fusi in sabbia
Getto fusi in presso colata
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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
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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
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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
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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 46100
Lega Pyral
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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
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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
100
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Osservazione macrografica e micrografica dei difetti sui getti
provocati da ossido di Al
Particolare di corindone
Particolare di difetto
Particolare di
corindone
nella lega
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Cavità nei getti causati da aria di
iniettata durante la fusione.
Presso colata
Esempio di aria inglobata
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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
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I giunti freddi nei
getti presso colati
Particolare di giunto freddo superficiale o detta anche
Sfogliature.
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Particolare di giunto
freddo che interessa
buona parte della
sezione del getto.
Costituisce n’innesco
di cricca molto rosso.
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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

Particolari di
gocce fredde
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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).
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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
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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
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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
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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
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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”.