impianto pilota per riscaldamento ad induzione di billette per

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IMPIANTO PILOTA PER RISCALDAMENTO AD INDUZIONE DI BILLETTE PER
THIXOCASTING: VERIFICHE TERMICHE E METALLURGICHE
I. Artuso, M. Schiavon - ATE srl, Brendola (Vicenza)
S. Lupi, M. Forzan – DIE - Dipartimento di Ingegneria Elettrica - Università di Padova
F. Bonollo – DTG - Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali- Università di
Padova (sede di Vicenza)
ABSTRACT
Mediante il processo di colata sotto pressione di leghe di alluminio allo stato semi-solido
(“thixocasting”) è possibile produrre getti in cui sono del tutto assenti i difetti di riempimento e di
solidificazione che caratterizzano negativamente altri processi di fonderia, e ottenere di
conseguenza componenti con eccellente comportamento meccanico, di particolare interesse per il
settore automobilistico. La lega allo stato semi-solido presenta una iniettabilità molto buona, che è
però strettamente dipendente dalla temperatura (in termini di valore assoluto e di omogeneità di
distribuzione) cui viene riscaldata la billetta stessa. In questo lavoro viene descritta l’attività, svolta
congiuntamente da ATE S.r.l. e dall’Università di Padova (DIE, DTG), finalizzata allo sviluppo e
alla messa a punto di un sistema di riscaldamento ad induzione che consenta l’ottenimento, in
billette da thixocasting, del campo termico ottimale in vista del processo di colata. Tale sistema
potrà consentire notevoli riduzioni nei tempi di riscaldamento rispetto alle soluzioni attualmente
disponibili, con conseguente aumento della produttività.
PAROLE CHIAVE
Leghe di alluminio, solidificazione, semi-solido, thixo-casting, riscaldamento a induzione, modelli
magneto-termici accoppiati, microstruttura,
1. INTRODUZIONE
La colata sotto pressione di leghe di alluminio allo stato semi-solido è una tecnologia di rilevante
interesse industriale [1÷8]. La prima intuizione delle sue potenzialità si deve a Flemings [9-10], che
all’inizio degli anni ’70, osservò come una lega, che durante la solidificazione (e quindi in uno stato
semi-solido) venga sottoposta ad un processo di agitazione (meccanica, elettromagnetica), presenti
una struttura costituita da una fase solida globulare, circondata da una matrice liquida (Figura 1). In
queste condizioni (e in corrispondenza di un intervallo ben preciso di temperatura), la viscosità
della lega è funzione della velocità di taglio applicata, oltre che, ovviamente della frazione di solido
presente (Figura 2).
Fig. 1 – Confronto tra una struttura di solidificazione dendritica e una globulare, ottenuta mediante
agitazione meccanica (stirring) della lega.
1
8
Fig. 2 – Effetto della frazione di solido e della velocità di
taglio sulla viscosità apparente di una lega allo stato
semi-solido.
Fig. 3 – Contenuto tipico di gas in getti ottenuti con
differenti processi.
In particolare, la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di taglio, pur mantenendosi
superiore a quella di una lega convenzionale, completamente fusa.
La conoscenza del particolare comportamento delle leghe allo stato semi-solido ha permesso, nel
corso degli anni, di introdurle in ambito industriale. La viscosità di queste leghe, relativamente
bassa, ne rende possibile la colata sotto pressione in uno stampo; il fatto che tale viscosità sia
superiore a quella di una lega convenzionale assicura che il suo fronte di avanzamento sia
caratterizzato dall’assenza di fenomeni di turbolenza (che sono all’origine della maggior parte dei
difetti riscontrabili nei getti pressocolati) [4-5,10-11]. La colata in semi-solido consente quindi di
produrre getti di qualità metallurgica eccellente, grazie alla minimizzazione dell’intrappolamento di
gas (Figura 3) e dei difetti di solidificazione. Ne consegue che anche il comportamento meccanico e
la saldabilità sono molto buoni. E’ possibile, su getti colati in semi-solido, effettuare trattamenti di
invecchiamento, migliorandone quindi ulteriormente le caratteristiche. Infine, per effetto delle
temperature di processo più basse che nella pressocolata “classica”, la vita dello stampo viene
prolungata [1-2,4,10-11].
La colata in semi-solido ha trovato quindi interessanti applicazioni, soprattutto per quanto riguarda
il settore automobilistico, con l’impiego di leghe di alluminio, e in particolare dei sistemi A356 (Al7%Si-0.3%Mg) e A357 (Al-7%Si-0.6%Mg); nel corso degli anni si sono sviluppati due principali
approcci operativi (Figura 4):
Fig. 4 – Schematizzazione dei processi di Rheocasting e di Thixocasting.
2
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- fusione della lega, agitazione meccanica e ottenimento della struttura globulare, subito seguita
dall’iniezione nello stampo (rheocasting),
- fusione della lega, agitazione meccanica e ottenimento della struttura globulare, produzione di
billette, rifusione (parziale) delle billette stesse e iniezione nello stampo (thixocasting).
La tecnologia del thixocasting richiede evidentemente che le modalità di riscaldamento per ottenere
la rifusione delle billette siano ottimizzate con particolare cura: vanno infatti conciliate le esigenze
di ottenere un riscaldamento omogeneo (con differenze di pochi gradi centigradi da zona a zona) in
un volume comunque significativo e di avere un ciclo veloce per migliorare la competitività
industriale del processo [10,12].
In recenti lavori [13,14] alcuni degli autori hanno esaminato la possibilità di soddisfare tali esigenze
mediante un ciclo termico caratterizzato da due stadi di riscaldo ad induzione seguiti da un
opportuno tempo di equalizzazione delle temperature. Ciò consente di ottenere una considerevole
riduzione dei tempi rispetto ai cicli di riscaldamento ad induzione convenzionali, utilizzando due
induttori alimentati da due convertitori di frequenza regolabili indipendentemente.
La messa a punto di un sistema di riscaldamento a induzione di questo tipo è l’obiettivo dell’attività
sperimentale che viene descritta nella presente memoria.
2. MATERIE PRIME E LORO CARATTERIZZAZIONE PRELIMINARE
La sperimentazione è stata condotta su billette di lega A357 (diametro: 125 mm) prodotte da SAG
(Austria), caratterizzate allo stato di fornitura da una microstruttura costituita dalla fase α-Al
primaria, circondata dall’eutettico Al-Si. Le billette, ottenute mediante stirring elettromagnetico,
presentano una grana fine (Figura 5a), con i grani della fase primaria a morfologia talora
arrotondata (Figura 5b), talora ancora dendritica (si tratta cioè dei frammenti di dendriti prodotti
dallo stirring, Figura 5c-d).
8
Fig. 5 - Microstruttura delle billette allo stato di fornitura
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La struttura delle billette, in sostanza, non presenta ancora una fase primaria globulare; in effetti,
anche l’ottenimento della struttura ottimale dipende dal trattamento di riscaldamento e rifusione
parziale. Infatti, come è riportato in letteratura, il riscaldamento e la rifusione parziale della billetta
inducono un progressivo arrotondamento della fase primaria, che tende a minimizzare la sua
superficie specifica [15]. Per poter valutare correttamente l’evoluzione microstrutturale delle billette
durante il ricaldamento a induzione, è sembrato perciò opportuno caratterizzare preliminarmente il
comportamento della lega oggetto dello studio.
Alcuni provini, allo stato di fornitura, sono stati posti in un forno a muffola per tempi variabili (da 5
a 45 min) alla temperatura di 580°C, in modo da ottenere la rifusione del costituente eutettico e
osservare l’evoluzione morfologica della fase primaria. Tale evoluzione, illustrata in Figura 6, è
governata dalla forza motrice costituita dalla riduzione dell’area interfacciale tra la fase solida e la
fase liquida (ottenuta dalla rifusione parziale) e conduce alla struttura globulare. La rifusione inizia
a bordo grano, dando luogo, per tempi brevi di trattamento, ad una solidificazione divorziata (la fase
α-Al eutettica nuclea e solidifica sui grani della fase α-Al primaria; nella zona intergranulare si
formano cristalli grossolani di Si). Per tempi adeguati, il liquido raggiunge condizioni di equilibrio
e solidifica secondo il meccanismo eutettico caratteristico delle leghe Al-Si [15].
10 min
20 min
30 min
45 min
8
Fig. 6 - Evoluzione microstrutturale della lega allo stato di fornitura, dopo differenti tempi di permanenza in forno a
muffola a 580°C
4
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3. ATTREZZATURA SPERIMENTALE
Le figure 7-a) e –b) mostrano l’impianto sperimentale per il riscaldo ad induzione di billette per
successiva thixoformatura e la sua disposizione in pianta. Esso consente di riscaldare billette di
diametro fino a 125 mm e di lunghezza fino a 350mm.
Fig. 7-a) - Impianto di riscaldo
Fig. 7-b) – Lay-out dell’impianto
In particolare, l’impianto è costituito dalle seguenti unità:
l’armadio con i convertitori di frequenza
la stazione di riscaldo
il gruppo di raffreddamento
Armadio convertitori
All’interno dell’armadio dei
convertitori di frequenza è
presente
un
convertitore
AC/DC
ad
assorbimento
sinusoidale, che consente di
avere
una
corrente
di
alimentazione,
praticamente
sinusoidale ed in fase con la
tensione, caratterizzata da:
fattore di potenza ≅ 1
distorsione armonica ≤ 3%
Fig. 8 – Armadio convertitori e
stazione di riscaldo
Il convertitore AC/DC alimenta due inverter DC/AC ad IGBT (tensione nominale di uscita 700Veff.,
frequenza nominale 500Hz, frequenza di funzionamento compresa tra 400 e 600 Hz)
5
5 / 12
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Il primo inverter, di potenza nominale 100kW, alimenta il circuito risonante del primo stadio della
stazione di riscaldo; il secondo, con potenza nominale 30kW, il circuito risonante del secondo
stadio.
Il pannello di comando dell’impianto è costituito da una tastiera-video per l’invio dei dati di set-up
alle schede di comando e controllo, per l’impostazione e la memorizzazione delle “ricette”, per la
visualizzazione dei dati reali di funzionamento e degli allarmi intervenuti.
Stazione di riscaldo
La stazione di riscaldo a doppio stadio è costituita da due circuiti risonanti LC in configurazione
parallelo. Il primo circuito, alimentato dall’inverter da 100kW, ha la funzione di effettuare un
riscaldo rapido di avvicinamento alla temperatura di inizio fusione mentre il secondo, alimentato
dall’inverter da 30KW, ha la funzione di completamento del riscaldo e mantenimento in
temperatura. In ognuno dei due stadi della stazione di riscaldo sono installate delle termocoppie per
l’acquisizione dei valori di temperatura e dei sensori di rilevamento dell’avvenuto posizionamento
corretto delle billette all’interno degli induttori.
Gruppo di raffreddamento
Il raffreddamento dell’impianto con acqua demineralizzata è realizzato con un sistema a circuito
chiuso mediante uno scambiatore di calore a piastre ed una pompa di ricircolo.
4. PROCESSO DI RISCALDAMENTO
E’ noto che il riscaldamento ad induzione di un corpo cilindrico entro un induttore “corto” dà luogo
per sua natura a disuniformità di temperatura sia lungo il raggio che nella sezione longitudinale
della billetta (effetto di bordo dell’induttore e del carico).
Si tratta pertanto di scegliere convenientemente frequenza, tempi, potenze e cicli di riscaldamento
che consentano di sfruttare in modo opportuno il processo della conduzione termica al fine di
minimizzare tali disuniformità.
I cicli di riscaldamento realizzati sono del tipo indicato nella Figura 9; essi sono tipicamente
costituiti da quattro periodi:
b)
a)
Fig. 9 – Transitorio termico tipico a due stadi [a - temperature della superficie e dell’asse durante il
processo; b - distribuzioni radiali nella fase semi-solida in diversi istanti: 1- 360 s, 2- 390s, 3- 500s, 4- 600
s, 5- 650 s, 6- 750 s, 7- 780 s ]
6
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1. un primo periodo di riscaldamento a potenza più elevata, fino al raggiungimento di una
temperatura media di circa 560 °C;
2. un intervallo di equalizzazione di durata opportuna;
3. un secondo periodo di riscaldamento, della medesima durata del primo, a potenza ridotta e
distribuzione di temperatura finale nella billetta di 580 ± 3 °C;
4. Un secondo intervallo di equalizzazione che garantisca, assieme al periodo n.3, una permanenza
al di sopra di 575 °C per un tempo sufficiente a garantire la formazione della struttura globulare
fine.
L’uguaglianza dei tempi di riscaldamento e di equalizzazione garantisce una produzione continua
priva di tempi morti.
Tenuto conto delle note difficoltà di misura delle temperature raggiunte nello stato semi-solido, è
stata realizzata una serie di prove per la messa a punto del sistema con cicli termici relativamente
“lunghi”, che hanno consentito di confrontare le microstrutture ottenute nei diversi punti della
billetta con le mappe termiche calcolate mediante modelli numerici.
Per gli effetti di bordo sopracitati, il modello numerico utilizzato è necessariamente bidimensionale
e fornisce la soluzione del problema elettromagnetico e termico accoppiato mediante il metodo
FEM.
Da parecchi anni sono disponibili software che permettono di risolvere problemi elettromagnetici e
termici in modo accoppiato: la soluzione del problema elettromagnetico, in questo caso la
distribuzione della densità di potenza per effetto Joule all’interno del corpo in riscaldamento, viene
utilizzata come sorgente di calore per la soluzione del problema termico. Le proprietà elettriche
della lega A356 dipendono fortemente dalla temperatura, in particolare quando il materiale è nello
stato semisolido: per ottenere una descrizione accurata del transitorio termico è necessario pertanto
ricalcolare più volte la distribuzione della potenza indotta, suddividendo il ciclo termico in una
successione di passi di tempo di durata opportuna, in ciascuno dei quali vengono aggiornate le
caratteristiche del materiale in base alle temperature raggiunte.
La messa a punto del modello è particolarmente delicata per la difficoltà di conoscere con esattezza
le caratteristiche elettriche e termiche del materiale, soprattutto quando questo si trova nello stato
semisolido. Inoltre, nel modello numerico la descrizione degli scambi termici con l’ambiente dei
diversi punti della superficie della billetta risulta critica, in particolare per la presenza della
vaschetta di contenimento che non è rappresentabile nel modello bidimensionale. Infine, la sia pur
modesta deformazione della billetta per effetto della dilatazione termica e delle forze
elettromagnetiche agenti sul materiale semisolido sono fenomeni che non vengono considerati dal
modello.
L’impianto sperimentale ha permesso di condurre una serie di misure termiche, elettriche e
metallurgiche da confrontare con i risultati ottenuti per via numerica. Questa fase dello studio è
servita per analizzare la qualità dei risultati forniti dalla simulazione numerica e per valutare i limiti
del modello utilizzato. Per la soluzione elettromagnetica, il modello è stato alimentato utilizzando
un generatore di tensione di ampiezza variabile nel tempo in modo che la potenza attiva misurata
sperimentalmente fosse pari a quella immessa nel modello numerico. Il confronto tra i risultati
ottenuti dalla simulazione e quelli sperimentali è stato fatto analizzando sia i profili termici misurati
in due punti della superficie della billetta sia i risultati deducibili dalle analisi metallurgiche.
Nella Figura 10-a) vengono riportati gli andamenti nel tempo delle temperature misurate e
calcolate: poiché la misura della temperatura è affetta da errori, soprattutto quando il materiale
raggiunge temperature prossime a quelle di inizio della trasformazione tixotropica, i risultati termici
sono stati confrontati anche con quelli dedotti dalle analisi microstrutturali che permettono di
correlare le traformazioni subite dal materiale con le temperature raggiunte .
7
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8
Come messo in evidenza dai diagrammi, il modello numerico riproduce con buona approssimazione
gli andamenti misurati delle temperature nel tempo. Inoltre le indagini metallurgiche, descritte in
seguito, hanno evidenziato come la billetta non sia ancora completamente trasformata in una piccola
regione nella sezione centrale; il medesimo problema è messo in luce dalla mappa termica di Figura
10-b), che conferma con il calcolo che il nocciolo centrale ha raggiunto una temperatura inferiore
rispetto al resto del carico.
600
500
T2
400
T [°C]
300
T1
0
200
100
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Time [s]
Fig. 10-a) – Transitorio termico misurato e calcolato nei due Fig. 10-b) – Mappe termiche nella
punti di controllo indicati in figura. [Le linee spesse rappresentano semi-sezione della billetta al termine
i dati sperimentali, quelle sottili il transitorio calcolato]
della fase di riscaldo (TMAX =585°C ,
TMIN = 575°C).
590
585
8
580
575
570
T [°C]
565
560
555
550
545
540
535
530
360
410
460
510
560
610
660
710
760
A
Time [s]
Fig. 11-a) – Transitorio termico ottimizzato nei punti T1 (linea blu),
T2,(rossa) e 0 (nera) della Figura 10-a)
B
Fig. 11-b) – Mappe termiche al
termine della fase di riscaldo e dopo
il transitorio di equalizzazione finale
(A - TMAX =586°C , TMIN = 578°C;. B
- TMAX =583°C , TMIN = 578°C).
Si può concludere pertanto che il modello numerico è in grado di dare una descrizione fedele del
sistema e quindi può essere utilizzato dal progettista per una messa a punto ottimale del processo.
8
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In particolare può essere utilizzato per ottimizzare la geometria degli induttori, adattandone la
lunghezza a quella della billetta, al fine di ottenere riscaldi uniformi in tempi relativamente brevi.
Un esempio di questa possibilità è illustrato dal transitorio termico di Figura 11-a) e dalle
corrispondenti mappe termiche di Figura 11-b), ottenuti ottimizzando la lunghezza degli induttori; è
da sottolineare come il transitorio realizzato con questa geometria dell’induttore abbia una durata di
780 secondi contro i circa 1200 normalmente utilizzati per billette di queste dimensioni, pur
portando a distribuzioni di temperatura molto più uniformi di quelle considerate in Figura 10.
5. RISULTATI DELLE INDAGINI MICROSTRUTTURALI
L’efficienza del sistema di riscaldamento a induzione sviluppato è evidentemente da mettersi in
diretta correlazione alle tipologie di microstrutture ottenute nella billetta. Le indagini
microstrutturali, che si riferiscono a billette trattate con transitori termici del tipo descritto in Figura
10, sono state condotte sulla sezione centrale ed esterna della billetta, ricavando da queste una serie
di provini dalla superficie verso il cuore, secondo quanto schematizzato in Figura 12.
Nella sezione centrale si osserva come, al crescere della distanza dalla superficie, l’evoluzione
microstrutturale della lega diventi più difficoltosa (Figura 13). E’ utile, in questo senso, confrontare
le micrografie della Figura 13 con quelle di Figura 6 e con la distribuzione di temperature calcolata
mediante modello numerico (Figura 10). Le differenze di temperatura (e dei tempi di permanenza in
temperatura) tra superficie e cuore trovano diretto riscontro in una struttura che risulta pienamente
soddisfacente solo fino a una profondità di 3 cm.
8
Fig. 12 - Schema del prelievo dei provini per l’indagine metallografica
9
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Fig. 13 - Sezione centrale: microstrutture ottenute
E’ invece perfettamente omogenea e completamente globulare (quindi adatta ad una successiva fase
di iniezione in stampo) la microstruttura nella sezione esterna (Figura 14). Il confronto con il campo
termico calcolato numericamente (Figura 10-b) evidenzia infatti una temperatura completamente
stabilizzata lungo la sezione, a garanzia del conseguimento della desiderata evoluzione
microstrutturale.
10
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Fig. 14 - Sezione esterna: microstrutture ottenute
6. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE
L’esame comparato dei risultati della simulazione dei campi termici e delle indagini microstrutturali
indica che il sistema pilota di riscaldamento a induzione per billette da thixocasting sviluppato
presenta indubbie potenzialità. Nelle sezioni nelle quali il campo termico è già ottimizzato si ottiene
infatti un eccellente livello di globularità della fase primaria α-Al, essenziale per garantire, in sede
di processo, le necessarie caratteristiche di colabilità. Nella sezione centrale, con una
configurazione dell’induttore non ancora ottimizzata, il campo termico non è risultato
sufficientemente uniforme, pur garantendo una buona globularità nelle regioni superficiali. La
costruzione di un nuovo induttore, in grado di produrre i campi termici desiderati (visibili nella
mappa termica riportata in Figura 11), consentirà quindi l’ottenimento di billette correttamente preriscaldate per il processo di thixocasting.
Al di là di queste considerazioni, va posto in evidenza come il sistema sviluppato consenta
l’ottenimento delle caratteristiche microstrutturali volute in tempi significativamente inferiori
rispetto a quelli usualmente suggeriti in letteratura [12].
Ulteriori sviluppi di questo lavoro consisteranno nell’effettuazione, in collaborazione con aziende
del settore, di test di thixocasting, in modo da poter verificare “sul campo” efficienza ed affidabilità
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del sistema di riscaldamento a induzione messo a punto e valutare la possibilità di ridurre
ulteriormente i tempi di riscaldamento.
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