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Relazioni tecniche Technical papers
Federico Casarotto - [email protected]
A proposito di difettosità della colata
Poor melt quality causes casting defects
Uno studio sulla bassa qualità nella fusione
I difetti di colata, come le inclusioni
del crogiuolo, trattamento o pulizia
di ossido e la porosità da gas o da
sbagliati del fuso e turbolenze in fa-
restringimento, sono molto spesso
se di trasferimento dello stesso.
imputabili alla bassa qualità della
fusione. Sono nove gli errori prin-
Le soluzioni solide indesiderate
cipali da evitare durante la fusione:
rompono la struttura del grezzo
se non presi in considerazione, cau-
di colata
sano difetti nell’elemento finito, di-
Rallentando la fusione di lingotti
fetti inevitabili anche prima che inizi
e scarti esterni, la fase pastosa si
la fase di colata.
mantiene più a lungo. Gli ossidi di
Gli errori commessi in fase di fusio-
alluminio e gli elementi di lega chia-
ne e di trasferimento nella fonderia
ramente non possono separarsi dal
dell'alluminio riducono la qualità del
metallo liquido, ma restano nel fuso
fuso e quindi della colata. Gli errori
e formano dei filamenti di pellicola
più comuni sono: fusione eccessi-
di ossido (Fig. 1). La perdita di fuso
vamente lenta, aggiunta di metallo
è alta e avviene la segregazione; ne
freddo, contatto della fiamma con
consegue che è preferibile evitare la
scarti esterni a parete sottile, al-
fase pastosa.
ta temperatura di fusione, rivesti-
La fase pastosa perdura relativa-
mento non idoneo del forno, scarsa
mente a lungo nei forni sovraccari-
manutenzione del forno, reazione
chi, il cui funzionamento supera le
1)
loro capacità fusorie. Questo capita spesso quando
forni fusori con una resistenza elettrica vengono allestiti come forni d’attesa.
In base al 'fattore segregazione' della lega, possono svilupparsi cristallini a
Filamento di pellicole di ossido
Cocoon of oxide skins
Casting defects, such as oxide inclusions, gas porosity, shrinkage porosity,
and macro shrinkage are often due to
poor melt quality. Nine basic mistakes
should be avoided during melting, otherwise defects into the finished component will be unavoidable even before the
casting phase actually starts.
Mistakes during melting and melt transfer in the aluminium foundry reduce the
quality of the melt and, hence, of the
castings. Sources of error on the "hot
side" are: excessively slow melting, addition of cold metal, contact of the flame
with thin-walled returns, high melting
temperature, unsuitable furnace coating, poor furnace maintenance, reaction of the crucible, wrong treatment
or cleaning of the melt and turbulences
during melt transfer.
Undesired solid solutions break the
as-cast structure
By slow melting of ingots and returns,
the pasty phase is maintained over a
long period of time. The oxides of aluminium and the alloying elements can
not clearly separate from the liquid metal, but stay in the melt and form cocoons
of oxide skin (Fig. 1). Melt loss is high,
and segregation occurs. Therefore, the
pasty phase should be avoided.
The pasty phase lasts for a relative long
period of time in overloaded furnaces,
which are operated beyond their melting capacity. This happens often with
electric resistance melting furnaces
only laid out as holding furnaces. Depending on the "segregation factor" of
the alloy, plate-shaped ferrous crystals
can develop, thus interrupting the ho-
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Relazioni tecniche
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mogeneous structure of the casting
(Fig. 2). In addition to this, they will
seriously affect the force distribution in
the as-cast structure, once that loads
or stresses are applied. The force lines
will concentrate at the plate edges and
form stress peaks that significantly
reduce elongation, leading to early micro-cracks when the casting is subjected
to dynamic stress. The ferrous solid
solution plates prevent internal feeding
in the casting too.
The addition of cold ingots and returns
leads to local cooling of the melt and
to the introduction of oxides. Due to
the local lower temperature, the oxides
can not separate properly from the
molten metal. Moreover, segregation
occurs, promoting the precipitation of
hard crystals.
If manganese is present, AIFeMnSicrystals with a size of 10 to 100 microns
are formed. They can appear in the final
microstructure as fragmented crystals
with a micro-hardness of 200 to 750
HV or as compact hexagonal crystals
(Fig. 3) with highest hardness up to
1000 HV.
Possible relocation of melting processes
Small-sized, scaly returns cause a violent oxidation reaction when they get
in contact with the melting flame. The
oxide skins originated in this process
form in turn clusters as shown in figure
4. Oxides of such closed and complex
structure tend to persist in the melt.
Salt-based fluxes may help to release
the molten metal from their oxide skins.
In circumstances where it is not possible
to melt machining chips or die-casting
flakes with suitable furnaces, these
should be outsourced to a smelting
works.
Temperatures above 800°C cause damage to the aluminium melt. Hydrogen
pick-up and oxide formation increase
rapidly at high temperatures, especially
when humidity is high next to the melting furnace or transport crucible. H2bubbles are formed, due to the gap in
the solubility of hydrogen at the transition of aluminium from the liquid to the
solid state. They form preferably on the
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2)
conduce al raffreddamento locale del fuso e all'introduzione
di ossidi. A causa della temperatura interna inferiore, gli ossidi non riescono a separarsi dal
metallo fuso. Inoltre si verifica
una segregazione che promuove
la precipitazione dei cristallini
pesanti.
Se è presente manganese, si
formano cristallini AIFeMnSi di
Placchette AlFeSi segregate
dimensione compresa tra 10 e 100
Segregated ALFeSi-plates
micron che possono comparire nella
struttura finale sotto forma di cristallini frammentati di microdurezza
forma di placchetta, che interrom-
compresa tra 200 e 750 HV o sotto
pono la struttura omogenea della
forma di cristallini esagonali com-
fusione (Fig. 2), oltre ad influire
patti (Figura 3) di durezza superio-
negativamente sulla distribuzione
re, fino a 1000 HV.
di forza nella struttura del grezzo di
colata dopo l’applicazione di carichi
Possibile ricostituzione dei pro-
o sollecitazioni. Le linee di forza si
cessi di fusione
concentreranno sull'estremità della
Gli scarti scagliosi e di dimensioni
placchetta e formeranno dei pic-
ridotte provocano una violenta rea-
chi di sollecitazione che riducono
zione d’ossidazione quando entrano
in maniera significativa l’allunga-
in contatto con la fiamma di fusio-
mento, portando a microfratture nel
ne. La pellicola di ossido così origi-
momento in cui la colata è sotto-
nata a sua volta forma dei cluster
posta a sollecitazioni dinamiche. Le
come nella figura 4.
placchette di soluzione solida fer-
Gli ossidi con una struttura così
rosa evitano inoltre l’alimentazione
chiusa e complessa hanno la ten-
interna alla colata.
denza a sopravvivere alla fusione.
L’aggiunta di lingotti e scarti freddi
Si può intervenire con soluzioni a
3)
base di sale per agevolare il distacco della pellicola di ossido
dal materiale fuso.
Qualora non fosse possibile fondere trucioli da lavorazioni meccaniche o paglie pressofuse nei
forni idonei, questi dovrebbero
Segregazioni compatte di AlMgFeSi
Compact AlMgFeSi segregations
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essere inviati ad una fonderia.
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oxides, acting as nuclei (Fig. 5).
Crucibles and tools getting in direct
contact with the melt have to be preheated separately, possibly to melt temperature. Any delay in melts transport
and during treatment must be avoided.
When coated tools and insulation materials are used (also during transfer),
it is not necessary to heat the melt to
such high temperatures.
4)
Le temperature superiori agli
800 °C possono danneggiare la fusione d’alluminio. Prese
d’idrogeno e formazioni di ossido aumentano ad elevate temperature, specialmente quando
l’umidità è alta nei pressi del
forno fusorio o nel crogiolo di
trasporto. Si formano delle bolle d’ossigeno causate dalla differenza di solubilità dell’idrogeno
Clusters di pellicole di ossido
in fase di transizione dell’alluminio
Oxide skins forming clusters
dallo stato solido a quello liquido.
Le bolle si formano tendenzialmente negli ossidi, agendo come nuclei
l'alluminio. È stato dimostrato che i
(Fig. 5).
materiali con un contenuto di Al2O3
È necessario preriscaldare separata-
superiore all’85% danno buoni ri-
mente, possibilmente a temperatura
sultati. Inoltre, miscele refrattarie
di fusione, i crogioli e gli strumenti
particolarmente dense dovrebbero
che entrano in contatto diretto con
essere selezionate soprattutto per il
il fuso. Vanno evitati eventuali ritar-
contatto con i fusi di A1MgSi perché
di nel trasporto del fuso e durante
si evita efficacemente l’infiltrazione.
il trattamento. Quando si utilizzano
I forni sporchi (Fig. 6) aumentano
strumenti rivestiti e materiali iso-
la cristallizzazione dell’ossido e la
lanti (durante il trasporto), non è
formazione di cristallini, ad esem-
necessario riscaldare il fuso a tem-
pio di corindone (Al2O3), periclasio
perature così alte.
(MgO), spinello (MgAl2O4), idrato di
ossido (OAlOH), ossido di zirconio
Evitare reazioni indesiderate
(ZrO2) o quarzo (SiO2).
I rivestimenti refrattari, non idonei
Dopo 25 ore le temperature di fu-
per le fusioni di alluminio, reagi-
sione di 700 °C in forni con una
scono con il metallo fuso e il
prodotto della reazione contamina lo stesso con conseguente
penetrazione del metallo nel rivestimento del forno. Quando si
sceglie un materiale refrattario,
è importante tener conto del
comportamento anfotero del-
Pellicola di ossido con bolle di gas
Oxide skin with gas bubble
5)
Undesired reactions can be avoided
Refractory linings, which are not suitable for the aluminium melts, react with
the molten metal; the reaction products
contaminate the melt, and metal penetration into the furnace lining occurs.
When deciding for a refractory material, the amphoteric behaviour of aluminium should be taken into account.
Materials with an Al2O3 content of more
than 85% have proved successful. In
addition, particularly dense refractory
mixes should be selected especially for
contact with A1MgSi melts, because this
prevents infiltration efficiently.
Unclean furnaces (Figure 6) enhance
oxide crystallization, and crystals are
formed, e.g. of corundum (Al2O3), periclase (MgO), spinel (MgAl2O4), oxide hydrate (OAlOH), zirconium oxide (ZrO2),
or quartz (SiO2).
After 25 hours, melt temperatures of
700 °C in furnaces with normal air inlet
lead to corundum nucleation; at 800 °C
this process already takes place after 7
hours. To avoid the formation of hard
inclusions in the melt, the cleaning intervals should be shorter.
In order to rule out the possibility of reactions between the melting or holding
crucibles and the aluminium melt, the
crucibles should be annealed at about
800 °C for several hours before they are
used for the first time. This procedure
also applies to clay-graphite crucibles
and silicon-carbide crucibles. The reaction products of crucible material and
melt lead to the formation of inclusions
in the final microstructure. The internal
feeding of the casting is particularly
affected and impaired, causing shrinkage porosity and even macro shrinkages (Fig. 7). Reaction products in the
melt also cause the so-called “black
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Relazioni tecniche
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6)
Formazione di corindone
sulle pareti del forno
da restringimento e addirittura ma-
Formation of corundum
at the furnace wall
ti della reazione nel fuso provocano
cro restringimenti (Fig. 7). I prodotanche le “inclusioni nere”, così denominate per il loro colore.
inclusions”, due to their black colour.
Low-pressure density samples reveal melt quality
Degassing of the melt with the help of
lances or slowly rotating impellers may
result in a violent movement of the bath
surface. The rising bubbles of cleaning
gas must not stir the bath surface into
the molten metal.
The melt can also be spoilt by inadequate modification and grain refinement. Low-pressure density tests can
be carried out to monitor how the melt
quality changes during treatment. Figure 8 shows an A1Si7Mg0,3 melt with a
density of 2.60 g/cm3, which was refined
with 250 ppm of strontium at 780 °C.
The density subsequently dropped to
approx. 2.34 g/cm3.
Settling the melt improved its quality;
the melt density rose again and reached
the required value of 2.55 g/cm3.
The impeller-degassing technique (nitrogen or argon), used nowadays to a
great extent, improves the quality of the
melt within a short period of time. This
is the only method, which allows the
subsequent production of sophisticated
and sound castings with the highest
pressure tightness. Sodium-modified
melts need more precautions to ensure
rapid dispersion of sodium, to avoid
the formation of pinholes at the casting
surfaces (Fig. 9).
Over-modification, even locally around
the immersion bell, should be avoided,
as it leads to iron enrichment at the grain
boundaries and undesired solid solution
precipitations.
Pouring stream turbulences during
transferring of aluminium melts must
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normale ventilazione
Campioni con densità a bassa
portano alla nuclea-
pressione rivelano la qualità
zione del corindone;
della fusione
a 800 °C questo pro-
La degassificazione del fuso con
cesso si produce dopo 7 ore. Per
l’aiuto di lance o di giranti a lenta
evitare la formazione di inclusioni
rotazione può portare a movimenti
dure nel fuso, gli intervalli di pulizia
violenti della superficie del bagno.
dovrebbero essere più ravvicinati.
La comparsa di bolle dei gas di pu-
Per escludere la possibilità di reazio-
lizia non deve agitare la superficie
ni tra i crogioli fusori o d’attesa e il
del bagno di metallo fuso.
fuso d’alluminio i crogioli dovrebbe-
Il fuso può essere rovinato anche da
ro essere ricotti ad una temperatura
modifiche inadeguate e dall'affina-
di 800 °C circa per diverse ore pri-
zione del grano. Si possono esegui-
ma di essere utilizzati per la prima
re test di densità a bassa pressione
volta. Questa procedura si applica
per monitorare il cambiamento del
anche ai crogioli in piombaggine e
fuso durante il trattamento. La fi-
in silicato di carbonio. I prodotti del-
gura 8 illustra un fuso di A1Si7Mg0,3
la reazione tra il materiale del cro-
con densità di 2,60 g/cm 3, che è
giolo e il fuso portano alla formazio-
stato affinato con 250 ppm di stron-
ne d'inclusioni nella microstruttura
zio a 780 °C. La densità è successi-
finale. L’alimentazione interna della
vamente calata a circa 2,34 g/cm3.
colata viene particolarmente colpita
La sedimentazione del fuso ha mi-
e pregiudicata, provocando porosità
gliorato la qualità; la densità è au-
7)
mentata ed ha raggiunto il valore
richiesto di 2,55 g/cm3.
La tecnica di degassificazione girante (azoto o argo), utilizzata oggi in
larga scala, migliora la qualità del
fuso in breve tempo. Questo è il solo metodo che consente la successiva produzione di colate solide e ben
strutturate con la più alta tenuta di
pressione. I fusi modificati al sodio
necessitano di ulteriori precauzioni
Bolle di reazione con fascio di ossido
Reaction bubble with oxide nest
Relazioni tecniche
per assicurare la rapida dispersione
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Qualità del fuso in seguito
a modifiche
del sodio ed evitare la formazione
di puntinatura nelle superfici colate
Melt quality after
modification
(Fig. 9).
È preferibile evitare le modifiche eccessive, anche localmente, attorno
alla campana d'immersione, poiché
L’assicurazione pre-
porterebbero un arricchimento di
ventiva della qualità
ferro nei bordi del grano e indeside-
aumenta la produtti-
rate precipitazioni solide.
vità
Le turbolenze del flusso di colata in
Evitare gli errori sopra menzionati
fase di trasferimento dei fusi d’al-
in fase di fusione e di trasferimento
luminio dovranno essere evitate:
del fuso crea basi solide per pro-
è essenziale che il flusso di colata
durre colate di alta qualità. Il tasso
sia uniforme e laminare. Utilizzando
di scarto è ridotto e la produttività
idonei sistemi di condotti o canali
della fonderia aumenta.
è possibile evitare la caduta libera
Allo stesso tempo è fondamentale
della colata di metallo. Le colate
essere consapevoli dei limiti. Non
turbolente non solo intrappolano
tutto deve essere fatto in sede. Per
l’aria, ma portano anche a una for-
quanto riguarda gli scarti esterni di
mazione continua di ossidi.
piccole dimensioni, può essere uti-
Le fonderie specializzate in colate
le fare riferimento all’attrezzatura
continue resistenti o pressofusioni
speciale delle fonderie di rifusione.
saldabili dovranno prestare partico-
In altri casi sarà inevitabile investire
lare attenzione a questo aspetto.
sulle proprie attrezzature. Special-
Di nuovo, i campioni con densità
mente per le fonderie, comunque,
a bassa pressione mostrano come
è fondamentale rivedere e ottimiz-
un trasferimento improprio del fuso
zare gli intervalli di manutenzione e
influisca sulla sua qualità. Un fuso
pulizia.
con densità di 2,65 g/cm3 è stato
trasferito a una siviera mediante
caduta libera dal forno, con una
caduta di 2,1 m. Dopo un simile
trasferimento, il fuso nella siviera
presentava una densità di appena
2,43 g/cm3. Al contrario, utilizzando
un condotto per il trasferimento del
fuso, la densità del metallo nella
siviera riportava un valore specifico
di 2,55 g/cm3.
Puntinatura in seguito al getto della colata t
Pinholes after jet blasting of the casting
9)
8)
be avoided; a smooth and laminar flow
of the pouring stream is essential. By
using suitable channel or duct systems
a free fall of the metal stream can be
avoided. Turbulent metal streams do
not only entrap air, but also provide the
continuous formation of oxides.
Foundries specialized in heavy-duty
castings or weldable pressure die-castings have to pay special attention to
this fact. Again the low-pressure density samples show how improper melt
transfer affects the melt quality. A melt
with a density of 2.65 g/cm3 was transferred to a ladle by free fall from the
furnace, dropping it from 2.1 m. After
such turbulent transfer the melt in the
ladle only had a density of 2.43 g/cm3.
When a proper duct system was used for
melt transfer, the density of the molten
metal in the ladle showed the specified
value of 2.55 g/cm3.
Preventive quality assurance increases productivity
Avoiding the above mentioned mistakes
during melting and melt transfer create
a sound basis for the manufacture of
high-quality castings. The scrap rate
is reduced and the productivity of the
foundry is increased.
At the same time, it is crucial to be aware
of existing limitations. Not everything
needs to be done in-house. Concerning melting small-sized returns, for
instance, it may be useful to fall back
upon the special equipment of remelting
works. In other cases it will be inevitable to invest in one's own equipment.
Especially for foundries, however, it is
vital to review and optimise cleaning and
maintenance intervals.
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