Appunti Fondamenti di chimica e materiali metallici

LINGOTTI PROCESSI TIPICI di COLATA

I metalli vengono colati entro forme ove solidificano. Si Colata continua:

possono ottenere getti finiti o lingotti (forme semplici Il metallo liquido fluisce dentro un

che richiedono successivamente lavorazioni a caldo o a canale attraversato da getti di acqua fredda che

freddo per la produzione del pezzo finito). solidificano il materiale e lo versano nello stampo. Non

In entrambi i casi si possono distinguere tre zone: è un processo molto utilizzato, poiché il materiale deve

1. Zona fredda; essere riprocessato, ma c’è il vantaggio di produrre

2. Zona colonnare; senza interruzioni.

3. Zona equiassiale. Colata in conchiglia a gravità: La conchiglia è lo

Zona FREDDA stampo in acciaio. Il materiale ad alta temperatura

viene colato in una cavità con una forma molto vicina a

Zona che si ha sull’esterno della provetta. È una stretta quella del materiale che si vuole formare. (I blocchi

banda di grani orientati casualmente alla superficie motore).

dei getti. Il metallo sulla superficie è il primo a

solidificare. Alto sottoraffreddamento e nuclei

∆

5. DIFETTI di SOLIDIFICAZIONE RITIRO INTERDENDRITICO

Le micro-porosità si hanno nel caso in cui la struttura

CAVITÀ da RITIRO del materiale sia di tipo dendritico. Le dendriti, infatti,

Da liquido a solido i materiali metallici hanno una formano una rete intrecciata che impedisce al liquido

contrazione di volume, questa è da tenersi in di proseguire per riempire gli spazi liberi tra i bracci

considerazione durante il processo di creazione di un secondari. È difficile da prevenire, in generale si

componente. interviene:

a. Sulla viscosità o fluidità del liquido, infatti più

viscoso sarà il metallo liquido, più fatica farà a

fluire all’interno della rete dendritica. Perciò, per

diminuire la viscosità del liquido è necessario

alzare la temperatura.

b. Sulla pressione metallostatica, ovvero la pressione

del liquido che agisce sul metallo che sta

solidificando, questa viene aumentata in modo tale

che il liquido riesca ad entrare tra le dendriti.

c. Sulle dimensioni delle dendriti, infatti più piccole

sono più sarà facile per il liquido raggiungere i

I ritiri (contrazioni volumetriche) possono essere: punti più lontani. (Avendo delle dendriti più corte,

a. Unidirezionali, solo una parete quindi aumentando la frequenza di nucleazione e

scambia calore, quindi solo una riducendo il tempo di solidificazione, lo SDAS

direzione del getto viene interessata risulta più piccolo, perciò ottengo porosità più

alle variazioni volumetriche, le altre piccole.)

sono isolanti e cioè non ricevono POROSITÀ GASSOSE

calore. Il livello scende in maniera Molti metalli contengono allo stato liquido una grande

regolare, è un caso particolare. quantità di gas. La quantità di gas che si può

(Smaltimento del calore disciogliere nel metallo liquido, cioè la solubilità dell’H

unidirezionale.) dipende da:

b. Risucchio, lo smaltimento del calore avviene su tre 1. Temperatura del bagno liquido, più alta è la

pareti. Il risultato è un oggetto che temperatura, più è grande la quantità di gas che si

mostra un ritiro concentrato nel suo può disciogliere.

centro. In sostanza, si solidifica 2. Composizione chimica della lega;

subito lo strato vicino alle pareti che 3. Pressione parziale dell’H sopra il bagno (pressione

va ad abbassare il liquido restante. atmosferica sopra il forno riferita al gas

È un difetto che si nota e se non considerato).

tagliato, da questa cavità possono

partire le cricche che portano alla

−

rottura l’oggetto. → = √

Dove:

c. Cavità, tutte e quattro le pareti

smaltiscono calore. Il liquido si deve - è la concentrazione di H in ml/100g di lega;

ritirare, ma dato che, tutte le pareti - è la pressione parziale dell’H;

smaltiscono il calore nello stesso - è la costante del materiale;

modo ho il ritiro all’interno del - è la temperatura del bagno.

componente. Il difetto non è visibile Questa legge ci dice che la

e ciò lo rende il più critico. solubilità del gas è

proporzionale alla

Queste cavità si formano in quelli che pressione parziale del gas

sono chiamati macro-ritiri, punti caldi. sopra il bagno.

Sono zone che hanno generalmente spessori più

grandi, e sono le ultime a solidificare e proprio per Se non viene evacuato il

questo, saranno quelle in cui si formeranno le cavità. gas, questo va ad unirsi e va

Per sopperire a questo problema si esegue una a formare delle bolle di gas

radiografia a raggi X e si verifica dove siano. che possono rimanere

intrappolate all’interno del pezzo e questo induce ad

La tecnica utilizzata per controllare cavità e risucchi è una diminuzione delle proprietà meccaniche. Queste

l'uso della materozza adiacente o connessa al getto. possono essere diffuse in tutto il getto o solo tra le

Questa viene inserita nell’ultima zona di solidificazione braccia dendritiche.

e quando il metallo nel getto tende a contrarsi, dalla

materozza fluisce nuovo liquido che riempie i vuoti. Ci sono tre casi di porosità gassose:

Essendo poi, la materozza l’ultima zona a solidificarsi, i a. Se l’interfaccia solido-liquido avanza molto

difetti si concentreranno proprio lì ed una volta tagliata lentamente gli atomi di gas che si trovano nel suo

il materiale sarà privo di difetti. Devo considerare

→ cammino vengono spinti in avanti, ingrandendo

che il metallo liquido che riempie la materozza deve sempre di più la bolla, ma questa non rimane

avere un tempo di solidificazione più grande di quello intrappolata nel solido.

del componente.

b. Se l’accrescimento è molto rapido, la bolla rimane

intrappolata all’interno, perché gli atomi di gas non

hanno il tempo di fuoriuscire.

c. Se il fronte solido-liquido avanza con una velocità

intermedia, la porosità si ingrandisce e diventa una

soffiatura, ovvero viene allungata. Il problema è

nelle estremità della soffiatura, dove è presenta un

fattore di intaglio, poiché concentrate tutte le

tensioni, il quale va spesso a formare una cricca.

Per minimizzare le porosità gassose è necessario:

- Tenere la temperatura del liquido bassa;

- Aggiungere degli elementi che formino con il gas

composti solidi;

- Tenere parziale bassa (colate sottovuoto).

Durante la fabbricazione dell'acciaio, l'ossigeno si

dissolve nel liquido e durante la solidificazione si ha:

1

+ →

2

2

con formazione di bolle che rimangono nel getto.

L'ossigeno può essere eliminato aggiungendo Al che

porta alla formazione di calmando il bagno per

2 3

questo l'acciaio viene detto calmato (killed).

Minuscole particelle di prevengono

2 3

l'ingrossamento del grano nei trattamenti ad alta

temperatura. L'acciaio effervescente viene utilizzato

nella laminazione delle lamiere portando a superfici

lisce. I getti di acciaio non possono essere trattati per

eliminare il gas dopo la solidificazione.

6. CONTROLLO della STRUTTURA

CONTROLLO della STRUTTURA del SOLIDO

Vi sono casi in cui la struttura equiassiale non viene

desiderata, ad esempio nei pezzi che devono resistere a

fratture e cose di questo genere (getti in leghe a base

Ni, Co per la produzione di palette per turboreattori,

statori eccetera) sono preferibili solidificazioni

monodirezionali.

Tali strutture vengono ottenute per raffreddamento

delle forme solo da un lato. Tale forma la si ottiene

mediante una solidificazione controllata in uno stampo

con strozzatura di connessione elicoidale (becco d’oca)

in modo da far crescere un solo grano colonnare.

Non vi sono bordi grano ed i piani e direzioni hanno

orientazioni prefissate. 13. I DIAGRAMMI di STATO

1. CONCETTI PRELIMINARI Dove:

- è la varianza del sistema (numero variabili

V

DEFINIZIONI indipendenti);

I diagrammi di stato sono dei grafici che identificano le - è il numero di componenti indipendenti del

condizioni di equilibrio termodinamico del materiale. sistema;

Indicano quali sono le fasi e com’è la struttura del - è il numero delle fasi presenti;

materiale metallico in condizioni di equilibrio. - sono i fattori fisici: temperatura e pressione.

∅

Lo stato di equilibrio di un materiale può essere L’equazione generale di Gibbs è infatti:

descritto tramite l’impiego di variabili indipendenti, =−+2

quali: pressione, volume, temperatura e composizione → = 1 −

chimica. 1 + 2 = 2 . à

Lo stato di equilibrio termodinamico, che si può In questo punto posso

quantificare con l’energia libera di Gibbs, è A

cambiare indipend.

metastabile, cioè non è al minimo assoluto. Deve

→ due variabili ed avere

ricevere una certa energia per superare la barriera lo stesso numero di

termica per poi trasformarsi nella configurazione con B

fasi. C

minima energia. → = 1 −

VARIABILI del DIAGRAMMA di STATO 2 + 2 = 1 . à

In questo punto posso

Le proprietà di una lega cambiare una sola

metallica in condizioni variabile, l’altra è

di equilibrio possono automaticamente determinata per mantenere lo stesso

essere descritte numero di fasi.

graficamente dal suo → = 1 − 3 + 2 = 0 . à

diagramma di stato o Non è possibile modificare nessuna delle variabili se si

diagramma di equilibrio, vuole mantenere lo stesso numero di fasi.

che permette di stabilire

quali siano le fasi, che Nei sistemi metallici in generale si considera ∅ = 1

composizione abbia ciascuna fase e quale sia la poiché la pressione è costante ed è uguale ad una

quantità di ciascuna fase presente quando siano note le atmosfera. → = − + 1.

sole variabili indipendenti temperatura e DIAGRAMMA di STATO BINARIO

composizione. La pressione non entra in esame, poiché

utilizzata quella atmosferica. I diagrammi binari sono costituiti da due assi verticali

in cui si indica la temperatura dei componenti A e B e

ESEMPIO un'asse