Metodo di mappatura della qualità dei bagni di leghe di alluminio

Giorgio Muneratti - Foseco Italia

ASSOFOND Federazione Nazionale Fonderie

XXXI Congresso di Fonderia

Convegno Tecnico - Fonderia e nuovi scenari: competitività e tecnologia, le sfide del futuro

Vicenza, 26 e 27 Ottobre 2012

Cause principali di difetti dei getti originate nella lega liquida

InclusioniAssorbimento di gas

L’alluminio liquido assorbe idrogeno e si combina con l’ossigeno

L’assorbimento di idrogeno può causare porosità nei getti.

La combinazione con l’ossigeno causa inclusioni di ossidi.

Le principali fonti di idrogeno e ossigeno sono: umidità atmosferica,

rivestimenti dei forni, cariche sporche e ossidate

I fattori che facilitano l’assorbimento di idrogeno e l’ossidazione

sono : temperature elevate, turbolenze e agitazioni

Inclusione Origine

Carburi Al4C3

Celle di elettrolisi

Boro-carburi Al4B4C Trattamento con boro

Boruro di titanio TiB2

Affinazione del grano

Grafite C Tubi di trattamento, rotori

Cloruri NaCl, KCl, MgCl2, ecc. Flussi

Alfa-allumina α-Al2O3

Inglobamento dopo fusione ad alta temperatura

Gamma-allumina γ-Al2O3

Inglobamento in fase di trasporto e travaso

Ossido di magnesio MgO Leghe ad alto tenore di Mg

Spinelli MgOAl2O3

Leghe a medio tenore di Mg

Principali inclusioni nell’alluminio liquido

Carburo di silicio del crogiolo Inclusione di pelli di ossido

Ossidi presenti nell’alluminio liquido

Tempo di

accrescimento

Spessore Descrizione Origine

< 1 secondo < 0,01 mm Frammenti simili a

coriandoli

Travaso e riempimento

stampo

da 10 secondi a 1

minuto

0,01 – 0,1 mm Pellicole flessibile ed

estese

Siviere di trasporto

da 10 minuti a 1 ora 0,1 – 1 mm Pellicole spesse e rigide Forni fusori

da 10 ore a 10 giorni > 1 mm Masse compatte e

placchette

Forni di mantenimento

(da Campbell)

Evoluzione degli ossidi

a ossidi spugnosi (stato γ) a corindone (stato α)da pellicole di Al2O3

• Tridimensionali

• Punti duri

• Isolati o “a grappolo”

Particelle grezze di spinello formate da

esposizione al tempo e alla temperatura

(“crescita nel forno”)

Particelle di ossidi di Alluminio

Ossidi “vecchi”

• Fragilizzanti

• Deleteri nella lavorazione

• Concentrazioni di stress

Può evolvere in forme complesse

Ossidi “nuovi”

Resta come lungo difetto che collega le

pareti del getto

Pellicola bidimensionale di ossido che si forma durante il trasferimento

od il travaso. Influenza la tenuta a pressione.

Curva di solubilità di H2in Al

0,001

0,01

0,1

1

10

200 400 600 800 1000

°C

cm3/100g

0,7 fase liquida

0,04 fase solida

temperatura di fusione

La solubilità dell‘idrogeno dipende dalla temperatura

Gli elementi alliganti influenzano la solubilità dell‘idrogeno

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8 10 12 14 16

% in peso degli alliganti

cm3/100g

Li

Mg

Ti

Si

Zn

Cu

FeSolubilità dell’Al puro a 700 °C = 0,93 cm3/100g

superficiali, getto con sola valenza estetica

interne, visibili dopo lavorazione meccanica,

getto a tenuta

Porosità da gas su getti

bollosità superficiali

porosità interne (sezione lavorata)

• Ci sono molti tipi di inclusioni non metalliche nelle leghe di alluminio

– Che vanno da pochi micron a diversi millimetri

• Alcune inclusioni sono comuni a tutti i processi

– Come le pellicole di ossidi

• …altre sono specifiche di particolari fonti di materie prime, condizioni del processo e tecnologia del trattamento del metallo

– Come carburi e boruri, ossidi di magnesio e spinelli

L’individuazione ed analisi delle inclusioni

e della loro manifestazione durante il processo,

dalla fusione al getto,

permette di identificare le aree in cui si evidenzia il problema

e focalizzare i programmi di miglioramento

FOSECO mette a disposizione delle fonderie il proprio team di esperti, italiani ed internazionali, e la

propria avanzata strumentazione di controllo della qualità metallurgica.

Melt Map è un sistema integrato di controllo della qualità della lega in tutte le fasi della sua

elaborazione in fonderia, che si avvale delle più avanzate (e pratiche per la fonderia) strumentazioni

messe a punto da Foseco, oltre ai metodi classici, quali analisi micrografica e SEM.

I controlli della lega aiutano a:

• Comprendere il processo di fusione e trattamento del metallo

• Evidenziare debolezze nel processo fusorio

• Registrare dati per comparazione benchmarking

• Analizzare difetti nei getti

• Offrire soluzioni ai problemi

• Identificare le variazioni del processo nel tempo

Melt Map – Molten metal audit

Il processo di Audit è generalmente diviso in 4 parti

• Orientamento iniziale: raccolta di informazioni sui processi in uso, i prodotti consumabili utilizzati,

tipo di getti prodotti ed i correnti problemi e difetti incontrati. Definizione del piano di controllo e degli

obiettivi.

• Esecuzione dei controlli in fonderia nelle diverse fasi del processo e raccolta dei campioni.

Raccolta di esempi tipici di difetti di fusione per ulteriore analisi.

• Rapporto in forma scritta

• Workshop dove vengono discussi i risultati, raccomandazioni e concordate azioni con il personale

chiave del cliente.

Melt Map – Molten metal audit

La strumentazione comprende:

• ALSPEK H unità portatile (misurazione del tenore di idrogeno)

• ALSPEK MQ (valutazione dell’inquinamento del bagno = inclusioni)

• V-Met (identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni)

• Degassing Model version II (software di simulazione del processo di degasaggio)

• Gastec - Densitec (RPT, Dross Test)

• K-mould (analisi delle inclusioni grossolane)

• Analisi Metallografica (microscopio ottico)

• Scanning Electron Microscope (microscopio a scansione elettronica)

• Thermatest (analisi termica)

• MAGMA soft (simulazione riempimento ed alimentazione del getto)

Melt Map – Molten metal audit

Alspek H

Determinazione diretta del tenore di idrogeno nella lega liquida

elettrodi termocoppia

Alspek H

Determinazione diretta del tenore di idrogeno nella lega liquida

Led

Porta USB

Attesa

Livello carica batteria

Retroilluminazione

Registrazione

AccensionePresa sonda

Presa carica batteria Scheda di memoria SD

Tasto invio

Tasti di selezione

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

Il galleggiante viene appoggiato sulla superficie, il tubo affonda ad una profondità prestabilita, la lega

inizia a fluire all’interno del tubo, e viene misurato il tempo richiesto al passaggio di 1,5 kg di alluminio,

in base al quale viene generato l’indice di qualità della lega MQI (Metal Quality Index). L’indicatore sul

manico dello strumento segnala quando la lettura è terminata, generalmente entro 60 secondi.

La comunicazione tra lo strumento e l’unità di raccolta e visualizzazione dati avviene con un sistema

senza fili, che opera entro 100 metri di distanza, compatibile praticamente con tutti gli ambienti di

fonderia, evitando di trascinare cavi vicino ai forni.

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

MQI (Metal Quality Index)

Selezione categoria di getti:

-Aerospaziale

-Critico per la sicurezza

-Automobilistico

-Commerciale

L’indice MQI è un numero compreso tra 1 (tempo di riempimento di 5-7 secondi, corrispondente a

metallo molto pulito) e 8 (tempo di riempimento maggiore di 20 secondi, metallo molto sporco).

Vengono individuate le particelle maggiori di 50 micron.

MQI 0 Riempimento rapido Problema col test

MQI 1 - 2 Fusione molto pulita Perfetto per fusione

MQI 3 - 4 Inclusioni isolate Ritrattare?

MQI 5 - 8 Metallo molto sporco Ripetere trattamento

MQI 9 Filtro bloccato Ripetere trattamento

L’indice MQI viene visualizzato anche nello schermo dell’attrezzo di misura, per permettere

all’operatore di decidere se accettare la lega o effettuare altri trattamenti di depurazione.

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

MQI=4MQI=3

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

Valori rilevati di MQI (lega A356 - Al-7%Si-0,3%Mg)

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Aggiunta di Ti-B

Aggiunta di Sr

Trattamento MTS

Aggiunta di Na

Attesa 20 minuti

Attesa 5 minuti

Attesa 3 minuti

Mescolamento manuale

Aggiunta di Mg

Appena fuso

MQI

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

Valori rilevati di MQI (lega A356 - Al-7%Si-0,3%Mg)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Aggiunta di Ti-B

Aggiunta di Sr

Trattamento MTS

Attesa 20 minuti

Mescolamento manuale

Aggiunta di Mg

Appena fuso

MQI

Alspek MQ

Valutazione diretta del livello di pulizia della lega liquida

Effetto del trattamento sul valore di MQI

0 1 2 3 4 5 6 7 8

MTS 4 min

FDU + Flusso 5 min

FDU 5 min

Lancia 20 min

Appena fuso

MQI

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

Electron Beam

Tungsten

Electron Source

“Gun Cap”

Electromagnetic

Optics

Column

Electron Detector

Image Acquisition

Un microscopio a scansione elettronica SEM, con spettrometria EDS analizza tutta

la superficie di un campione in modo meccanizzato.

Le inclusioni e gli altri difetti (es.cavità) vengono differenziate per composizione e

dimensione e viene redatto un rapporto in automatico.

MnS

Vista delle particelle

accettate nel campo e non Area di

scansione

Micrografia Immagine elaborata

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

E’ possibile identificare “grappoli” di difetti (clusters, gruppi di difetti singoli

ravvicinati che si possono ritenere associati in uno stesso macrodifetto).

La mappa rappresenta la posizione e la dimensione dei tipi di grumi.

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

Forno fusorio Dopo travaso Dopo FDU

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

Effetto del travaso

Lega nel forno fusorio a torre Stessa lega dopo travaso in siviera

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

Lega Al-Si9Cu3(Fe)

Effetto del travaso: conteggio difetti

Al-Si9Cu3(Fe) Forno a torre Siviera

Inclusion Index 14 725

Features 912 6427

0.5 – 2.5 micron 261 644

2.5 – 5.0 micron 495 2293

5.00 – 15 micron 153 2852

15 – 30 micron 3 512

30 – 75 micron 0 118

> 75 micron 0 8

Pores 162 2042

Dross 501 3311

Alloy Dross 249 1074

Clusters 60 278

V-Met

Identificazione e conteggio computerizzato delle inclusioni

Foseco Batch DegasserSimulazione del processo di degasaggio

Lega Al-Si7-Mg, crogiolo BU 800, temperatura del bagno 750 °C, rotore da 190 mm.

300 rpm 400 rpm 500 rpm 600 rpm

5 min

Tempo per H2 = 0,15 ml/100g

4 min 2,8 min3,2 min

Confronto con differenti velocità di rotazione

Foseco Batch DegasserSimulazione del processo di degasaggio