Rassegna delle principali problematiche difettologiche nei ... · Riempimento della cavitàstampo Lega liquida viscositàmolto bassa turbolenza reattivitàcon l’ambiente ossidazione

1

1F. BonolloRassegna delle principali problematiche difettologiche nei getti e nelle saldature in lega leggera

Rassegna

delle principali problematiche difettologiche

nei getti e nelle saldature in lega leggera

Franco BONOLLO DTG – Università di Padova


��Il Gruppo Metallurgia del DTG

��Introduzione alle leghe di alluminio

��Fonderia e aspetti difettologici

��Saldatura e aspetti difettologici

��Considerazioni conclusive

��Riferimenti & Contatti

Contenuti

2


DTG – Dipartimento di Tecnica e

Gestione dei sistemi industriali

Il Gruppo di Metallurgia

Il DT appartiene alla Scuola di Ingegneria dell’Università

di Padova, ed è indirizzato all’integrazione, in un contesto

industriale, degli aspetti tecnologici ed economico-

gestionali .

Gli oltre 50 docenti del DT offrono elevate competenze

nei settori metallurgico, fisico-tecnico, impiantistico,

logistico, gestionale, meccanico e meccatronico.

L’attitudine del DT alle collaborazioni industriali è

testimoniata da circa 100 contratti di ricerca sviluppati

negli ultimi 5 anni.

100 contratti di ricerca

Scuola di Ingegneria

50 docenti

integrazione

tecnologici economico-

gestionali


DTG: Le cifre del Gruppo di Metallurgia

� Staff: 3 Professori & Ricercatori, 2 Tecnici,

2 Contrattisti, 4 Studenti di dottorato

� Contratti Industriali: 40 negli ultimi 10 anni

� Progetti EU: 5 negli ultimi 10 anni

� Accordi Accademici Internazionali con WPI (USA),

NTNU (Norvegia), RWTH Aachen & GTA Aalen

(Germania), Aalto University (Finlandia), Cambridge

University (Gran Bretagna), CTJ Joenkoeping (Svezia)

� Tesi di Dottorato in Fonderia: 10 negli ultimi 10 anni

� Tesi di Laurea in Fonderia: circa 80 negli ultimi 10 anni


3


Generazione e gestione della conoscenza

� Conoscenza Disseminata

mediante iniziative didattiche e di formazione

� Conoscenza Generata

Progetti di Ricerca,

in collaborazione con Università e Aziende

� Conoscenza Codificata

mediante l’elaborazione di Normative

www.gest.unipd.it/metallurgia



�� Conoscenza Disseminata

Conoscenza sull’alluminio & Progetti Internazionali

�� Conoscenza Generata �� Conoscenza CodificataIDEAL (2002-2005)

Solidification models

for defects prediction

MUSIC (2012-2016)

Quality vs Physical Conditions

vs Process Parameters


NADIA (2006-2010)

(Microstructure + Defects)

vs performance

Summer School (2011, 2014)

on Aluminium Foundry &

Casting Design

StaCast (2012-2014)

New Standards for defects &

performance of Al casting alloys

METRO (2005-2006)

On-line Training on Metallurgy

& Foundry Processes


4


Flessibilità tecnologica dell’alluminio

Introduzione alle leghe di alluminio


Fusione

Colata

Leghe da lavorazione plastica,alluminio puro

Legheda fonderia


5


Leghe da lavorazione plastica,alluminio puro

Legheda fonderia

Getti

Colatain sabbia, conchiglia,a pressione

Pani

Fucinatura,stampaggio

Fucinati

Estrusione

Trafilatura,stiratura,

raddrizzatura

Estrusi, tubi,barre, fili

Laminazionea caldo, a freddo

Spianatura, stiratura

Piatti, lamierenastri, fogli

Placche, billette




6


0.2870.0443Zn

0.231.65577Si

0.251.82658Mn

0.3217.4450Mg

0.304.2600Li

0.250.05655Fe

0.265.65548Cu

0.29--Alluminio

(nm)(wt%)(°C)

Dimensione atomo

Solubilitàmassima

TemperaturaElemento




7


Soluzioni solide



Seconde fasi


8


Precipitati � Trattamenti termici (T6)

Seconda fase, coerente

Tempo

Tem

pera

tura

Seconda fase, coerente



Precipitati


9




F = as fabricated= allo stato di fabbricazione

O = annealed= ricotto

T4 = solution heat treated and naturally aged where applicable= solubilizzazione e invecchiamento naturale (se possibile)

T5 = cooling from elevated temperature shaping process and artificially aged= raffreddamento dopo processo di formatura a caldo

e invecchiamento artificialeT6 = solution heat treated and fully artificially aged

= solubilizzazione e invecchiamento artificiale completo

- H1 Work-hardened only- H2 Work-hardened and partially annealed- H3 Work-hardened and stabilised by low temperature treatment

- HX2 Quarter-hard- HX4 Half-hard- HX6 Three quarter-hard- HX8 Fully-hard

Stati di trattamento

Stati di incrudimentoDegreeof cold working


10





11




Leghe Metalliche � Processi di fonderia

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione

del gettoRaffreddamento

Inclusioni e fasi indesiderate1

2

3

4

5

6

A

B

C

D

Colata in sabbia in gravità

Colata in conchiglia in gravità

Colata in bassa pressione

Pressocolata

Interazione metallo-stampo

Ritiri

Difetti riemp.

Sviluppo/intrappolamento gas

Cricche e deformazioni

Fonderia e aspetti difettologici

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Versamento in uno stampo/forma

Versamento in una pre-camera

Versamento in gravità

“Versamento” mediante pressione

Forma in sabbia silicea

Forma ceramica

Modelli

Stampo permanente in acciaio

Anime in sabbia

Anime ceramiche/in sale

Inserti metallici

In aria

Con l’ausilio del vuoto

Per gravità

Con moderate (“bassa”) pressione

Con pressione elavata

Trasferimento termico spontaneo tra lega e stampo/forma

Trasferimento termico facilitato (canali di raffreddamento + aria/gas)

Trasferimento termico facilitato (canali di raffreddamento + acqua/olio)

Solidifi-

cazione

Raffred-

damento

Versa-

mento

Riempi-

mento

Attrez-

zature



Stampo permanente

Forma a perdere

Modello permanente

Modello a perdere • Investment casting (cera persa)

• Lost Foam

• Sabbia verde• Shell molding• Plaster molding• ProcessoDisamatic• V-Process• Bassa Pressione in sabbia• ……

• Colata in gravità in conchiglia• Colata in bassa pressione• Pressocolata• Pressocolata sotto vuoto• Colata in semi-solido• Squeeze Casting

Attrezzatura

Attrezzatura

Riempimento


13



StaCast

New Quality and Design Standards

for Aluminium Alloys Cast Products

www.stacast-project.org


�� Defect: a quality characteristic is lower with respect to the level or state foreseen (usually specified); it does not allow the product to carry out a function requested

�� Imperfection: a quality characteristic is for a some extent lower with respect to the level or state foreseen or a deviation from a continuous appearance of the base material not yet evaluated against a threshold level (a technical OK / not OK evaluation is not allowed). This does not mean necessarily that the product is not suitable for use. An imperfection must be evaluated by means of a proper scale, based on the related specifications, to decide if the product has a quality level making it suitable for the use.

Leghe Metalliche � Processi di fonderia

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione



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6 Categorie-base di Difetti & Imperfezioni (D&I), in relazione alla loro origine metallurgica

Morfologia/collocazione dei difetti(interni, esterni, geometrici)

Tipologie specifiche di Difetti e Imperfezioni(lo stesso fenomeno metallurgico puògenerare vari tipi di difetti).

Livello 1

Livello 2

Livello 3



Pelli di ossido

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione

del getto



Una pelle di ossido è sempre presente sulla superficie della lega

liquida (nel crogiolo, durante il versamento, ecc.)

15


Pelli di ossido

• Pelli di ossido sulla superficie del liquido

• Bi-film

• Composti non-metallici

• Elevata turbolenza nel riempimento

• Pelli di ossido “incorporate” nella lega

• Discintinuità metallurgica

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione

del getto




Inclusioni

A356 – Colata in conchiglia

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione

del getto



16


Riempimento della cavità stampo

Lega liquida

� viscosità molto bassa

� turbolenza

� reattività con l’ambiente

� ossidazione

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


2 Difetti riemp.



Giunti freddi

• Connessione/Mescolamento dei fronti di avanzamento

• Bassa temperatura e presenza di ossidi

• Giunzione “fisica”, ma discontinuità metallurgica

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


2 Difetti riemp.


17


Vortici

• Vortice: turbolenza lega liquida

• Bassa temperatura

• Lega “ghiacciata” sulla parete-stampo

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


2 Difetti riemp.



Laminazioni

• Pelle di lega solidificata rapidamente sulla parete dello stampo

• Superficie ossidata

• Connessione “fisica”, ma discontinuità metallurgica

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


2 Difetti riemp.


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Gocce fredde

• Riempimento molto turbolento

• Goccoline di lega solidificate rapidamente sulla parete stampo

• Goccioline con superficie ossidata

• Goccioline “incorporate” nella lega

• Discontinuità metallurgica

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


2 Difetti riemp.



Gocce fredde

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


2 Difetti riemp.


19


Aria

• Riempimento turbolento dello stampo

• Aria (e altri gas) nello stampo

• Intrappolamento aria

• Cavità tipicamente arrotondate

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


3 Sviluppo/intrappolamento gas



Aria

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione




20


Vapore

• Umidità residua nello stampo

• Sviluppo di vapore

• Intrappolamento vapore

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione





Gas

da lubrificante

• Eccesso di lubrificante

• Contatto con la lega liquida

• Sviluppo di gas

• Intrappolamento di gas

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione




21


Blisters

• Riempimento turbolento e intrappolamento gas

• Apertura stampo (250-300°C)

• Elevate temperatura

� scarsa resistenza meccanica della lega

• Espansione del gas

• Cavità gassose sub-superficiali

� deformazione lega

• Blistering

• Possibile anche durante trattamento termico

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione





Sviluppo

di idrogeno

R. H. Mathiesen, L. Arnberg, K. Ramsoskar: “Time Resolved X-Ray Imaging of Aluminium Alloy Solidification Process”, Metall. Mat.

Trans, 33B (2002) 613-623

P.D. Lee, A. Chirazi, D. See: “Modeling microporosity in aluminum-silicon alloys: a review”, Journal of Light Metals 1 (2001) 15-30

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione




22


Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


5 Ritiri



Macro-ritiri

• “Punto caldo” macroscopico

• Ritiro

• Dimensione rilevante della cavità

• Facilmente rilevabile in radiografia

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


5 Ritiri


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Micro-ritiri

• Flusso interdendritico bloccato

• Microritiro localizzato nella regione eutettica

• Cavità interconnesse

• Difetto con sviluppo 3D

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


5 Ritiri



Micro-ritiri

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


5 Ritiri


24


• Tensioni nella lega prima della completa solidificazione

• Il liquido residuo non può contrastare lo sviluppo della cricca

• Difetto sia interno che di superficie

Fusione e

trattamento

della lega

Versamento

nello stampo

Riempimento

della cavità

Solidificazione


6 Cricche e deformazioni


Cricche a caldo


StaCast Survey – Frequenza Difetti (HPDC)


Inclusioni

e fasi indesiderate

Interazione

metallo-stampo

RitiriDifetti riempimento



25


StaCast Survey – Frequenza Difetti (LPDC/gravità)


Inclusioni

e fasi indesiderateInterazione

metallo-stampo

RitiriDifetti riempimento





Ritiri

Sviluppo e/o

intrappolamento

gas

Cricche e

deformazioni

Difetti

riempimento

Inclusioni e fasi

indesiderate

26


Saldatura e aspetti difettologici



27





28




DIN 8524 Difetti di forma Cricche e cavità


29


DIN 8524 Mancanza di fusione

Assenza di penetrazione

Inclusioni solide




30


Caratteristiche della lega• composizione chimica

• microstruttura

• proprietà fisiche

Aspetti di progetto• geometria

• condizioni di sollecitazione

Processo• preparazione dei lembi

• operazioni di saldatura

• trattamenti post-saldatura


Saldabilità



31





32





33


• Formazione di cricche intergranulari legate alla presenza di film liquido per segregazione di elementi di lega (formazione di eutettico)

0

5

10

15

20

% E

lem

ento

Mg Cu Zn0

5

10

15

20

% E

lem

ento

Mg Cu Zn



- Regione della ZTA immediatamente esterna al metallo saldato,

entro la quale avvengono fenomeni di liquazione

- Formazione di cricche a caldo in ZTA


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Considerazioni conclusive

Leghe di

AlluminioNuove applicazioni,

elevate prestazioni

Processi di

saldatura

Processi di

fonderia

Qualità

prodotti

Stabilità

processi

Tecniche innovative di

Controllo Non Distruttivo


• European Aluminium Association http://www.alueurope.eu/

• Aluplanet www.aluplanet.com

• Associazione Italiana Metalli non Ferrosi www.assomet.it

• The Aluminum Association (USA) www.aluminum.org

• MatWeb www.matweb.com

• Aluselect http://aluminium.matter.org.uk/

Riferimenti & contatti


www.stacast-project.org

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Prof. Franco BONOLLO

Dipart. di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali

Università di Padova, sede di Vicenza

Str. S. Nicola, 3 – 36100 Vicenza (Italy)

e-mail: [email protected]

tel.: +39 0444 998743

fax: +39 0444 998889


Riferimenti & contatti

Documents

Rassegna delle principali problematiche difettologiche nei ... · Riempimento della cavitàstampo Lega liquida viscositàmolto bassa turbolenza reattivitàcon l’ambiente ossidazione