Utilizzo dell`analisi termica J. Alva - Tesi S.p.A.

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