Domande Materiali per l'industria meccanica

18 SOLIDIFICAZIONE CON DENDRITI EQUIASSICHE

Nella parte a contatto con il contenitore ci sono grani equiassici su cui nucleano i dendriti colonnari. Alla fine della crescita dei dendriti colonnari in liquido sottoraffreddato c'è all'interno liquido surriscaldato (A).

Alla fine della solidificazione tutta la curva della temperatura del liquido si abbassa e si finisce nella zona centrale in cui T<Tconst (B)

Grafico

La solidificazione dei getti procede con crescita dendritica equiassica quando si verificano le seguenti condizioni: Sono presenti dei nuclei solidi nel liquido che solidifica, dalle cui facce cristalline parte la crescita delle protuberanze dendritiche. Si è dimostrato sperimentalmente che nuclei di solido sono già presenti e vengono a concentrarsi nell'ultimo liquido che solidifica insieme a tutte le impurezze. La loro origine è riconducibile al momento del versamento del liquido - quando questo viene a contatto con il

contenitorefreddo - e al distaccamento di frammenti di dendriti colonnari, i quali si vanno a concentrare nell'ultimoliquido, o ancora per i cristalli della chill zone (nuclei iniziali equiassici) che vengono sparpagliati per motiturbolenti. I motivi per cui cresce equiassica e non colonnare sono:

• Il gradiente termico GL perde la sua monodirezionalità rispetto all'interfaccia solida dei nuclei di solidificazione.
• Il sottoraffreddamento è generalizzato e non direzionale.
• Effetto calore latente di solidificazione che avvelena la crescita del cristallo nelle zone adiacenti il bracciodendritico in sviluppo.

In generale le prime due condizioni tendono a verificarsi quanto più il processo di solidificazione è avanzato. Infatti in uno stato avanzato della solidificazione (B) tutto il profilo di temperatura nel liquido GL si affossa e si avrà che in tutta la zona centrale T<Tconstitutional, da cui la perdita della direzionalità.delgradiente termico e del sottoraffreddamento. Inoltre non avendo più un interfaccia piana in cui si sviluppano le dendriti ma nuclei solidi, più o meno poliedrici, quando si sviluppano i bracci primari con liberazione di calore di solidificazione ci saranno facce cristalline più distanti che cresceranno in una direzione diversa, quindi il cristallo cresce dendriticamente secondo direzioni differenti ed in modo simultaneo. L'estensione della zona centrale a sviluppo equiassico in un getto è determinata da diversi fattori:

• La dimensione dei getti: in getti di grandi dimensioni la zona dominata dal gradiente termico (quella in cui si ha la crescita dendritica colonnare) rappresenta una piccola frazione del volume del getto. Il profilo di temperatura centrale ha più tempo per affossarsi prima che venga raggiunto dal fronte di solidificazione, quindi è favorita una condizione di sottoraffreddamento generalizzato che produce un'ampia

zona didendriti equiassiche.

• La composizione e l'intervallo di solidificazione della lega: in una lega con ampio intervallo di solidificazione le zone interessate dall'abbassamento della T costituzionale a causa del gradiente di concentrazione del soluto sono molto ampie. Il sottoraffreddamento interessa quindi anche le zone a grande distanza dal nucleo, favorendo un sottoraffreddamento generalizzato e quindi la crescita di dendriti equiassiche isolate sparse ovunque nel liquido. Si forma una mushy zone molto ampia.
• Vibrazioni meccaniche: favoriscono l'estensione della zona dendritica equiassica perché smorzano i gradienti composizionali e quindi ostacolano la crescita dendritica colonnare, e inoltre frammentano le dendriti colonnari fornendo nuclei per la crescita equiassica centrale.
• L'utilizzo di inoculatori per affinamento del grano: favorisce la nucleazione eterogenea direttamente nel liquido, dando origine a crescita dendritica equiassica.

19.

COMPOSIZIONE, MICROSTRUTTURA E PROPRIETÀ DELLE LEGHE BINARIE Al-Si Le leghe binarie Al-Si sono leghe della serie 4xx.y, in cui la y indica la fornitura: - .0 per getti - .1 per lingotti - .2 per lingotti forcelle con composizioni ristrette. Alcuni esempi di queste leghe sono B413.0 o AlSi13Fe e la A360, che non è propriamente una lega binaria ma può essere assimilata ad esse. Le leghe Al-Si sono tra le leghe da getto più utilizzate, grazie al silicio che conferisce loro una notevole fluidità, permettendo di essere colate in forme complesse. Inoltre, il silicio conferisce resistenza alla corrosione e riduce il ritiro volumetrico e il coefficiente di espansione termica, rendendo il materiale saldabile. Tuttavia, il silicio rende il materiale meno lavorabile a causa della durezza delle particelle in soluzione. Le leghe Al-Si vengono rafforzate esclusivamente dalla dispersione del silicio. La duttilità della lega dipende dalla morfologia delle particelle di silicio, quindi i parametri stereologici microstrutturali fondamentali sono il...

Das, solo per leghe ipoeutettiche, il Deq e il fattore f, in generale si preferiscono particelle fini e tondeggianti per avere una maggior resistenza al passaggio delle dislocazioni quindi un Deq piccolo e un f=1. Una solidificazione lenta porta ad una struttura grossolana perché si dà il tempo per l'accrescimento dei grani, se il raffreddamento è rapido invece la struttura di Si sarà fibrosa con aumento di duttilità e resistenza. Le caratteristiche meccaniche della lega si possono modificare variandone l'eutettico ovvero ritardando la nucleazione dei cristalli di Si. Contengono 2 fasi ossia da fase Al α e Si. Le leghe binarie Al-Si possono essere di tipo ipoeutettico o eutettico/ipereutettico. Le percentuali di Si sono: Si=9.5-17% (12.6% è l'eutettico). Le leghe ipoeutettiche vengono colate in conchiglia o in sabbia, la velocità di solidificazione è medio (conchiglia)-alta (sabbia), contengono una bassa %Si e

sono caratterizzati da una discreta duttilità (buona per prevalenzaAl, vanificata dalle particelle). La quantità massima di Fe presente deve essere lo 0.2%, per evitare la formazione di β-Al5FeSi, di forma aghiforme, che conferisce fragilità alla lega riducendone abbondantemente la tenacità; per minimizzare l'effetto del ferro si può inserire il Mn, che permette la formazione di α-Al5FeSi, che ha forma di scritture cinesi e ha un effetto minore sulla tenacità. Le leghe ipereutettiche si colano con presso colata ad alta velocità di solidificazione, e sono leghe ad alta % di Si, il che conferisce una migliore fluidità di colata limitando i possibili difetti. Viene inserito Fe all'1-2%, che permette di evitare gli strappi a caldo, che è un rischio molto consistente; il Fe come detto prima aumenta la fragilità, ma nel caso di leghe ipereutettiche con alto Si, la fragilità è giàintrinseca nella lega, quindi si preferisce aggiungere l'effetto di diminuzione strappi a caldo. Le leghe ipereutettiche contengono alte percentuali di Si che, come già detto, consente un'alta colabilità, rendendola lega liquida molto fluida e con basso ritiro volumetrico (3,8% rispetto al 6.6% dell'Al puro); inoltre, la soluzione solida risulta rinforzata dalla diffusione di particelle di Si (rafforzamento per dispersione, non può per precipitazione). Le leghe binarie sono adatte allora per getti a parete sottile, ad esempio corpi cavi, dove la resistenza non è fondamentale, ma lo è invece la tenuta di gas a pressione, e questi materiali sono adeguati date le caratteristiche resistenziali donate dalla mancanza di porosità e strappi a caldo e un'ottima fluidità. Vengono quindi utilizzate per corpi a parete sottile come involucri di pompe, collettori, scatole per ingranaggi. Si colano preferibilmente a pressione o in conchiglia, dove

L'alta fluidità donata dal Si (senza presenza di altri leganti che ne peggiorerebbero l'effetto) permette il veloce e corretto riempimento di forme dalle geometrie complesse.

I fattori determinanti la forma e dimensione delle particelle di Si sono:

• Velocità di raffreddamento: Se la velocità di solidificazione è bassa, la microstruttura è grossolana, con eutettico fatto da poche e grandi placche di silicio su fondo di alluminio. Le particelle di silicio sono interconnesse tra loro e danno fragilità. Al contrario, se la velocità di solidificazione è alta, la microstruttura è fine e il silicio assume una forma fibrosa che aumenta duttilità e resistenza.
• Affinamento del grano con inoculazione con P nelle leghe ipereutettiche; si origina AlP che funziona da nucleatore di Si primario, con generazione di cristalli primari numerosi, fini e tondeggianti.
• Modifica dell'eutettico (leghe

(ipoeutettiche): ha lo stesso effetto dell'aumento della velocità di raffreddamento (origina struttura fine e sferica)

20 EFFETTO DEL SI NELLE LEGHE DI Al DA FONDERIA

L'alluminio è ampiamente utilizzato per fonderia (40% fonderia, 60% semilavorati) e presenta molteplici applicazioni in ambito automobilistico dove vigono severi vincoli di peso. Le principali caratteristiche dell'AL sono:

• non si corrode,
• bassa T di fusione perciò le trasformazioni richiedono minor energia per fondere (Al puro 660°C, leghe anche meno);
• fluidità;
• buona finitura superficiale;
• buona risposta ai trattamenti termici di raffreddamento (dipende dalla lega);

mentre i principali problemi legati all'uso dell'alluminio in fonderia sono:

• grande ritiro di solidificazione 6% per il metallo puro;
• tensioni residue, distorsioni, blistering, strappi a caldo;

Per migliorare le caratteristiche del metallo puro uno dei principali elementi da inserire in lega

È il silicio. I vantaggi dell'aggiunta del Si sono:

• aumenta la fluidità, permettendo di riempire anche forme complesse
• L'alto calore di solidificazione del Si (1810 kJ/kg, contro i 395 kJ/kg dell'Al), permettendo alla lega fusa di ritardare la solidificazione ed essere risucchiata per riempire i vuoti che altrimenti genererebbero porosità, il materiale ottenuto è meno difettoso;
• Ha bassa densità, contrasta ritiro da solidificazione;
• Conferisce resistenza alla corrosione (come anche Al-Mg)
• Le leghe AL-Si presentano una buona saldabilità grazie al basso rischio di ritiri di solidificazione e al basso coefficiente di espansione termica λ.
• il silicio di natura ceramica conferisce durezza per rafforzamento per dispersione
• peggiora la lavorabilità del materiale all'utensile ma aumenta la resistenza a usura
• La morfologia del Si influenza molto le proprietà

eq), dove Dmax è il diametro massimo delle particelle. Le proprietà meccaniche di una lega dipendono anche dalla presenza di eventuali fasi secondarie, come precipitati o inclusioni. Queste fasi possono influenzare la resistenza e la durezza della lega. Per valutare la microstruttura di una lega, è possibile utilizzare la microscopia ottica o la microscopia elettronica a scansione (SEM). La microscopia ottica consente di osservare la struttura generale della lega, mentre la SEM consente di ottenere immagini ad alta risoluzione della superficie della lega. Inoltre, è possibile analizzare la composizione chimica della lega utilizzando la spettroscopia a raggi X o la spettrometria di massa. Queste tecniche consentono di identificare gli elementi presenti nella lega e di determinarne le percentuali. Infine, per valutare le proprietà meccaniche di una lega, è possibile utilizzare test di trazione, test di durezza o test di resilienza. Questi test consentono di determinare la resistenza, la durezza e la tenacità della lega. In conclusione, la valutazione delle proprietà meccaniche di una lega richiede l'utilizzo di diverse tecniche di caratterizzazione, che consentono di analizzare la microstruttura e la composizione chimica della lega, nonché di determinare le sue proprietà meccaniche.