Appunti Metallurgia

Processo di solidificazione e nucleazione

ANIMAcomponente viene detto3. Chiudo le staffe (casse riempite di terra e sabbia) e all'interno viene colato il metallo fuso4. Separate le 2 metà troverò l'oggetto definitivo.

Andiamo a vedere i processi interni allo stampo quando vado a colare il metallo.

NUCLEAZIONE ↔ Le trasformazioni di fase (liquido solido) in condizioni reali (raffreddamenti non infinitamente lenti) tendono ad avvenire a temperature inferiori di quelle delle trasformazioni termodinamiche (sottoraffreddamento). Quindi l'inizio della solidificazione l'avrò ad una temperatura molto più bassa rispetto a quella teorica ideale che abbiamo visto nei metalli puri ( ). Tale temperatura la chiameremo temperatura di sottoraffreddamento ∆ NUCLEAZIONE.

L'inizio della solidificazione può avere inizio secondo 2 modalità di (si parla di nucleazione quando si formano i primi nuclei di solido nel liquido):

• OMOGENEA: avviene nel solo fuso, in punti casuali

1. In A sono nella condizione del liquido, raffreddo fino a B dove ho la Ts (dove in teoria ho l'inizio della solidificazione)
2. In realtà il materiale continua a raffreddarsi fino a C dove ho Tsr, fino a D dove si iniziano a formare molti nuclei e la temperatura addirittura risale
3. In D la fase di nucleazione è molto avanzata e il materiale continua a solidificare alla temperatura teorica di solidificazione
4. Fino ad E dove il materiale è tutto solido, e il materiale si comincia a raffreddare come fa un solido

più alto sarà il sottoraffreddamento necessario alla nucleazione dei primi grani di solido

VR1 -> velocità di raffreddamento teorica (infinitamente lenta) è à è Δ

Quello descritto finora è in presenza di nucleazione omogenea

Cosa succede se sono presenti impurezze solide nel liquido (1), o le pareti del recipiente che lo contiene sono più fredde (2)?

Abbiamo la nucleazione ETEROGENEA. In questo caso non c’è bisogno di sottoraffreddare il fuso, perché:

1. i nuclei si formano intorno alle inclusioni;
2. I nuclei si formano sulle pareti. La nucleazione procede speditamente sulle pareti del contenitore.

La curva di raffreddamento torna ad essere quella teorica anche in condizioni di velocità di raffreddamento elevate nucleazione omogenea.

Perché in condizione di nucleazione eterogenea, o per far avvenire la nucleazione ho bisogno di una spinta in più data dal ΔT nucleazione eterogenea.

Ma nel caso di una nucleazione omogenea, è molto

più rapida, quindi non ho bisogno di un sottoraffreddamento e il metallo si comporta come in condizioni teoriche

Siti di nucleazione eterogenea (Nucleazione controllata):

• Impurezze nel metallo liquido
• pareti del contenitore – dipende molto dal materiale del contenitore, infatti in presenza di metalli, causa la loro elevate conducibilità termica sono molto più efficaci al fine della nucleazione eterogenea, viceversa se ho un materiale refrattario
• aggiunta di nucleanti (inoculanti) molti nuclei per volume unitario metallo a grani piccoli (miconviene avere un metallo a grani piccoli nel caso io voglia aumentare le caratteristiche meccaniche)

Esempi: (diboruro di titanio) nelle leghe di alluminio Vanadio negli acciai

I grani sono porzioni di cristallo con orientamenti diversi

I metalli non sono un unico reticolo cristallino. Ogni grano ha un reticolo orientato diversamente (è nato da un nucleo che si muoveva liberamente nel liquido, almeno

di equilibrio)Cosa succede nelle leghe se la velocità di raffreddamento è elevata (casi reali)?Supponiamo di avere un metallo A, al quale vieneaggiunto un alligante B, con temperatura di fusione(solidificazione) più bassa di A:

• in condizioni reali, B non si distribuirà all'internodelle dendriti, come avverrebbe in condizioni idealidi raffreddamento lentissimo, ma si accumulerànelle zone interdendritiche, che saranno le ultime asolidificare.

Le ultime parti che andranno a solidificare avrà una concentrazione elevatissimaQuesto differisce da quanto visto nel diagramma di stato, perché a fine solidificazione non abbiamo unacomposizione nominale e monofasicaMa siamo in una situazione in cui i grani sono poverissimi dell'elemento basso fondente e nelle- zone dendritiche sono molto più ricche di B

SOLIDIFICAZIONE E GRANDEZZA DELLE DENDRITICosa comporta la formazione delle dendriti?Una forte disomogeneità-

Proprietà meccaniche molto scadenti che dipendono dalle dimensioni delle dentriti. Il tempo di solidificazione influenza direttamente la grandezza delle dendriti ramificate secondarie (SDAS). LEGA ALLUMINIO SILICIO. In bianco si vede la dendrite che è quasi esclusivamente alluminio puro. Nella zona interdendritica silicio. L'SDAS si misura tracciando una linea e vedere quante volte tocca le zone bianche. Oppure rapporto tra lunghezza del segmento e numero di rami. Piccoli valori di SDAS corrispondono a elevati valori di resistenza e duttilità. Relazione che corrisponde a quella che abbiamo visto nei metalli equiassici, dove la resistenza aumenta se il grano è piccolo. Concludiamo che più la microstruttura è fine (D, SDAS) più è alta la resistenza meccanica.

COME FACCIO AD AVERE GRANI FINI? Devo favorire la nucleazione quindi cerco di avere rapporti N/G elevati tramite:

• Aggiunta nel fuso di piccole

Quantità di • Frantumazione delle dendriti inopportuni elementi come Mg, Ti, B, ecc. formazione mediante agitazione del(inoculanti) mi aumenta il numero di metallo realizzata con:nuclei N tecniche di colata sotto pressioneo turbolenze provocate dao versamenti rapidi di fuso sumateriale in solidificazioneetc.o

COLATA DI GETTI

Colata di metallo liquido in uno stampo. La maggior parte dei metalli inizialmente vengono trasformati inlingotti, per poi essere lavorati.

Vogliamo sapere quale sarà la forma dei grani in questo tipo di prodotti? Che tipo di struttura avranno?

STRUTTURA DEI GETTI

Tipicamente la macrostruttura di un lingotto si divide in 3 parti:

1. ZONA FREDDA: piccolo volume di grani casualmente orientati nucleati in modo eterogeneo
   1. Inizio della nucleazione eterogenea
   2. Formazione di grani

Quindi risulta che la parte interna è in qualche modo isolata da uno strato intermedio di metallo, quindi il passaggio di T da liquido a pareti diventa più lento

ZONA COLONNARE: grani orientati cresciuti in direzione opposta al flusso di calore (c)

ZONA A GRANI EQUIASSICI causati da inoculanti, leganti (d)

Dato che la maggior parte delle impurezze sono state spinte al centro, può far partire una nucleazione eterogenea

Come si nota ci sono nelle differenze nella struttura

Da cosa dipendono queste differenze?

Il tipo di stampo elevata Stampo di metallo, aggiunta di proprietà meccanichetemperatura di colata grani nucleanti, temperatura di migliori) fini sulle pareti, allungati al colata appena sopra quella di Raffreddamento lento edcentro solidificazione grani fini uniforme (stampo in sabbia), Tsulle pareti, colonnari nello di colata appena sopra quella stato intermedio ed equiassici di solidificazione pochi nella parete centrale nuclei e grani (migliore grossolani rispetto il caso precedente perché ho strutture più fini quindi

DIFETTI DI SOLIDIFICAZIONE

La struttura a dendriti non è un difetto ma qualcosa che deriva

Dalla fisica del fenomeno, per difetto si intende qualcosa che non è previsto dalla fisica e dalla chimica, ma qualcosa che si genera a causa di problemi.

ALTRI EFFETTI DOVUTI AL RAFFREDDAMENTO

Fenomeni che avvengono durante il raffreddamento:

• contrazioni volumetriche dei materiali (soffiature)
• diversa solubilità dei gas disciolti nel metallo alle varie temperature
• vuoti più o meno grandi spesso dovuti a gas presenti

Sono i classici difetti che si riscontrano nelle strutture dei pezzi fusi.

RITIRO

Contrazione in tre fasi:

• allo stato liquido
• alla solidificazione (tranne Bi e Sb)
• allo stato solido

Si manifesta attraverso:

• ritiro volumetrico
• formazione di coni di ritiro
• formazione di cavità di ritiro
• formazione di micro cavità interdendritiche

RITIRO VOLUMETRICO

Contrazione dovuta alla diminuzione di volume specifico con temperatura che si verifica allo stato liquido, durante la solidificazione e allo stato solido (in tutte e 3 le fasi).

&∆" ∗ 100Espresso attraverso la perdita fisica di volume: #&" → " →* ,• Ritiro di solidificazione: riduzione del volume specifico durante la solidificazione compresa tra il 2.5 e il6.5%• Ritiro allo stato solido usualmente di entità ridottaIl pezzo non si contrae in realtà in maniera omogenea, in parte è ritiro volumetrico, ma in aggiunta si formaun cono di ritiro che non rende omogenea la situazione

CONO DI RITIRO