Prof. Doru Michael Stefanescu

1

2

CSF(casting skin) = diffetto combinato tra: rugosita ecessiva della superficie(penetrazioni di espansione, fisiche, chimiche) e denegerazione dello strato superficiale (grafite degenerata, mancanza di grafite, bordo ferritico, bordo perlitico)

3

Significato della CS(Casting Skin)

Fisica e chimica di interazione metallo – forma, nelle leghe ferrose

Strato superficiale danneggiato(CS, casting skin)

Penetrazione del metallo liquido Penetrazione di espansione Penetrazioni meccaniche Penetrazioni chimiche

Una grande parte delle conclusioni di ordine economico prendono in considerazione la qualità della superficie della fusione La superficie(pelle) della fusione riguarda: - l'estetica del getto - le proprietà meccaniche del pezzo - in casi estremi l'accettabilità del getto

4

Difetto Interazioni Effetti

Rugosità superficiale estettica della superfice

Bordo perlitico o assenza di grafite Lievi diminuzione lavorabilità

miglioramento lavorabilità

diminuzione lavorabilità

estetica della superficie

riparazioni della superficie

Penetrazioni meccaniche Severe riparazioni della superficie

Assenza grafite o degenerazione

grafiteLievi

Penetrazioni meccaniche Severe

5

Fisiche Chimiche Leghe ferrose

Pressione metallostatica

Pγ Pst

metallo

Terra di

formatura

Pressione capillare

O2, H2O

N2

C (Si,Mn…) Mg (Ce)

Fe

Reazioni chimiche

6

Pressione metallostatica: Pst= ρ g h

Pressione capillare: Pγ = -2γLV cosθ/dp

Steel

Silica

solido (silica)

vapori Metallo liquido γLV

γSV γSL

θ

rugosità alterazioni microstrutturali

Pγ > Pst

Pγ < Pst

Penetrazioni metalliche

Interazioni severe Interazioni leggeri

Leggera interazione all’interfaccia metallo-forma degenerazione superficiale

22 HCOOHC

COOC 22

1Strato decarburato Bordo perlitico

COMgOCOMg 2

22 HMgOOHMg

MgOOMg 22

1

Assenza di Mg Degenerazione

della grafite

Grafite lamellare

Grafite vermicolare

Assenza grafite

Bordo perlite

Senza ossidazione del Fe

7

8

Strato decarburato Grafite degenerata

22 HCOOHC

222 HCOOHCO

forma

22 HCOOHC

COFeOCOFe 2

22 HFeOOHFe

COOC 22

1

4222 SiOFeSiOFeO

FeOOFe 22

1

interfaccia

Interazioni severe penetrazioni chimiche

non-oxidized steel

oxidized steel

sand grain

Steel

Silica

Iron oxide

Fayalite

Ossidazione del Fe

9

10

Significato del CS(casting skin)

Interazioni chimiche e fisiche metallo-forma

Superfice della fusione

Penetrazione del metallo nella terra di formatura Penetrazioni espansive Penetrazioni meccaniche Penetrazioni chimiche

11

Caratteristiche della superfice in CGI

• rugosità della superficiale

• bordo ferritico o perlitico

• degenerazione della grafite

• impoverimento di grafite

• zona ad alta nodularità

12

3.5

2.5

6.0

mm

3.5

2.5

6.0

mm

Forma della grafite e zona; piastra di 3,5 millimetri spessore

Assenza Grafite

Valutazione – Spessori sottili, ghisa a grafite sferoidale

13

Condizioni

superfice As-cast Lavorata

Sabbiata

1 volta

Sabbiata

2 volte

Spessore CS

(mm) 0.183 0 0.125 0.0

14

930.TS

TSSF

machined

AsCastTS

Ghisa a grafite sfreroidale

840.TS

TSSF

machined

AsCastTS

Ghisa a grafite vermicolare 5-20% Nodularità

machined

AsCastTS

StrengthTensile

StrenghtTensileSF

TSAsCast - misurazioni dirette,

oppure dal modello statistico

provino 26.7

mm 26.7

mm 26.7

mm

8

mm

80 mm

100 x 25 x 8 mm

15

17

166 μm

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Nodularity

Fat

igu

e S

kin

Fac

tor

Present study

Kuwamoto et al

Effetto della nodularità

machined_fat

AsCast_fat

fatSF

Effetto del CS(casting skin) Il fattore di qualità della superfice

Resistenza a fatica - ghisa a grafite vermicolare

0.00

0.05

0.10

0.15

AC SB1 SB2

Test condition

Skin

th

ickn

ess (

vis

ual)

, m

m

effetto della granigliatura per spessori sottili

Ghisa a grafite vermicolare

As-cast

Granigliatura

1 min

Granigliatura

5 min

M-SB: Lavorazione meccanica e granigliatura

100

200

300

400

500

1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07

Alt

ern

ati

ng

Str

es

s, M

Pa

Nf, cycles

AC

M

AC-SB

M-SB

Graniglia acciaio(S-660) Tempo granigliatura - 32 s

AC: as- cast AC-SB: As-Cast e granigliatura

M: Lavorazione meccanica

19

CS(casting skin)

Effetto della granigliatura - Resistenza alla fatica

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

0.20

Phenolic Urethane Sodium Silicate

Binder Type

Th

ickn

ess, m

mSkin Thickness

Pearlitic rim

20

Alto tenore di zolfo nella

terra di formatura

aumenta lo spessore della

superfice degradata

(Kokos e Barlow)

Una percentuale elevata

di sabbia rigenerata

(resine uretaniche,

furaniche e fenoliche)

aumentato lo spessore

dello strato di grafite

degenerata

(Xiaogan 1992)

21

Tipi di vernici refrattarie:

Vernici inattive (completamente inerte rispetto alla metallo liquido) - mica, zircone, BN

Vernici attive (altera la composizione chimica locale del metallo liquido); possono avere qualche effetto inoculante) - FeSi e grafite

Vernici reattive (hanno una reazione chimica con metallo liquido), effetto di disossidazione e desolforazione) - CaO, MgO, e FeSiMg

22

No Coat

No Coat

No Coat

FeSi

FeSi

FeSi

Gr

Gr

Gr

0

50

100

150

200

250

300

4.0 4.2 4.4 4.6

CE, %

Ski

n th

ickn

ess,

m

NC

Gr

FeSi

CE = 4.1%

CE = 4.3%

CE = 4.5%

Vernice attiva

0

50

100

150

200

250

300

4.0 4.2 4.4 4.6

CE, %

Ski

n th

ickn

ess,

m

NC

Gr

FeSi

23

Effetto del CE nell’assenza di vernice: Consolida l’austenite primaria in ghisa ipoeutettica.

Spinge Mg rigettato dal solido davanti al fronte di

solidificazione zona impoverita di Mg in superfice

struttura dendritica fortemente orientata con grafite

lamellare fine tra i dendriti.

Con l'aumento del CE meno austenite superfice

più sottile.

Effetto della grafite: CE locale è aumentato meno austenite primaria

diminuzione della superfice a basso contenuto di CE,

quindi si formano meno dendriti di austenite

Effetto ancora ridotto, atteso per alto CE

Effetto del FeSi:

Diminuisce il sottoraffreddamento a interfaccia col

metallo (inoculazione) superfice più sottile (vedi diagramma di fase asimmetrica)

No coat

FeSiMg

CaO

MgO

24

Effetto del FeSiMg: Riduce lo spessore dello strato di grafite

degenerata

Nodularità superiore al centro della lastra (Mg

dissolto diffonde nella piastra)

Effetto del MgO e del CaO:

Piccolo miglioramento con CaO

MgO ha prodotto la pelle più spessa

Non essendoci zolfo nel legante utilizzato

CaO e MgO possono essere valutati come

rivestimenti inattivi

MgO ha alta conducibilità termica che

promuove la formazione dei dendriti di

austenite più del CaO.

MgO produce la pelle più spessa rispetto al

CaO

La conducibilità termica maggiore di MgO promuove anche nodularità superiore al

centro della lastra

25

Vernice reattiva Vernice innattiva

26

Legante; silicato di sodio

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

NC BN FeSi Gr Mica Zr -1 min Zr -2 min Zr -3 min

Ski

n T

hic

knes

s,

m

Low CE

Med CE

High CE

Skin thickness

0

5

10

15

20

25

30

NC BN FeSi Gr Mica Zr1 Zr2 Zr3 MgO CaO FeSiMg

Mold coating types

Ro

ug

hn

ess

aver

age,

m

Roughness

Legante; resina furanica

27

Lo spessore della superfice danneggiata, diminuisce con: Uso delle vernice refrattarie attive(ess. ferrosilicio, grafite)

Uso delle vernice refrattarie reattive(ess. FeSiMg, CaO)

La maggiore nodularità della ghisa a grafite vermicolare

Lo spessore della superfice danneggiata, aumenta con: Tenore elevato di zolfo nella sabbia formatura

Dimensione dello spessore del getto

Tempo lungi nel passaggio a 1150-1050 C

Basso carbonio equivalente

Intonaci inattivi ad elevata conducibilità termica

Resine uretaniche e fenoliche sono meno nocive rispetto al silicato di

sodio

Ghisa a grafite vermicolare è molto più sensibile alla qualità della

superfice

I problemi della qualità della superfice si verificano anche nelle forme che

non hanno ossigeno o zolfo quali stampi metallici

29

La rugosità superficiale dipende dalla finezza della sabbia e dalla

pressione

metallostatica(dipendente dalla altezza della fusione).

L’impoverimento di grafite e bordi ferritici sono causati dalla

decarburazione della superficie del getto. Maggiori umidità e

temperature di colata promuovono la decarburazione.

La carburazione è la causa della formazione dei bordi perlitici.

La degenerazione della grafite si può spiegare attraverso:

L’impoverimento di Mg a causa di reazioni chimiche con lo stampo e la

sua atmosfera (S, O, H2O)

Un aumento della quantità di austenite nello strato superficiale

consegue l’impoverimento Mg

30

Degenerazione della grafite

Impoverimento in grafite

Bordo perlitico

casting skin

Terra

formatura

ossigeno

zolfo

carbonio

Mg, Ce,…

C

Liquido

adiacente

Alti tenori

C e/o S

Scarso numero di nuclei

Meccanismo della formazione di CS(casting skin) Sommario:

31

Significato di CS(casting skin)

Fisica e chimica di interazione metallo - forma nelle leghe ferrose

Strato superficiale danneggiato(CS, casting skin)

Penetrazione del metallo liquido Espansione della penetrazione Penetrazioni meccaniche Penetrazioni chimiche

32

Definizione: una condizione della superficie delle fusioni, in cui

gli ossidi dei metalli hanno riempito i vuoti tra i granelli di

sabbia, senza spostare l'interfaccia metallo-forma

Meccanismi di base:

meccanico (allo stato liquido)

chimico

stato di vapori

penetrazione esplosiva

penetrazione di espansione

95% delle cause di un difetto di tipo: strato superficiale

danneggiato(SC), sono le penetrazioni meccaniche e

chimiche

le penetrazioni meccaniche e chimiche possono essere

compresse in termini di interazioni fisiche e chimiche alla

interfaccia metallo-forma

33

Inizio riempimento

forma

Inizio solidificazione

Fine solidificazione

Fine riempimento forma Degenerazione dello

Strato superficiale

Penetrazioni metallostatiche

Alimentazione Interrotta

Penetrazioni di espansione

Penetrazioni

dinamiche

Sequenza della penetrazione

Solo per ghise

Causa: espansione grafitica eutettica

Punto caldo

Pressione di espansione

Pressione di espansione

Penetrazione di metallo

solido liquido

34

35

Ipotesi: Nessuna ossidazione della

superficie (vale per ghisa) Corretta progettazione sistema di colata e alimentazione Bassa pressione del gas (forma

ventilata)

Equazione da risolvere:

Fronte di penetrazione

Pγ+Pf+Pgas

Pst+Pdyn+Pexp

interfaccia h

Lp

Metallo liquido

Parte superiore

grannelli sabbia

d

gasfdynst PPPPPP exp

fdynst PPPP

• Equazione principale:

36

21

2

2

3241

180

/

)cos()(

LV

pd

dp

pd

Vghf

ftdL

risolvendo l'equazione

di equilibrio delle pressioni

d: diametro grannelli sabbia GFN

tp: temperatura di colata fd: densità

bulk density, hardness μ: viscosità ghisa liquida ρ: densità ghisa liquida

h: alteza metallostatica V: velocità del metallo nella forma dp: diametro medio dei pori

permeability, MQI γLV: enrgia superficiale metallo liquido θ: angolo bagnabilità terra di formatura

profondità di penetrazione nello stampo in sabbia

37

150 130 110 90 0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Angolo bagnabilità, °

Pro

fondità

penetr

azio

ne

, m

h=300 mm

h=200 mm

h=150 mm

d=0.6 mm

170 150 130 110 90 0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

Angolo bagnabilità, °

d=0.6 mm

h=200 mm

d=0.1 mm

d=0.05 mm

cr cos1 dp

4 LV

g h V2

Per: Lp = 0

21

2

2

3241

180

/

)cos()(

LV

pd

dp

pd

Vghf

ftdL

38

Scenari possibili: PI >1 penetrazioni assenti 0 < PI < 1 possibili penetrazioni mecaniche PI < 0 possibili penetrazioni chimiche

PIcos act

cos cr

cos act k kC %C kSi %Si kCSi %C %Si ...

cos cr

dp

4 LV

g h 1.41V2

40

Fe on quartz

Fe-C on quartz

θ > 90o θ < 90o

FeO on quartz

solidO

vapor liquidO γLV

γSV γSL

θ

Indice delle penetrazioni meccaniche Valutazione del angolo di bagnabilità

41

Foundry Variables Mold Variables

Metallostatic Head 0.68

Mold Quality Indicator 230

GFN

Metal Velocity in Mold 0.05

Metal Variables

Cast Iron Composition

%C 3.6

%Si 1.75

%Mn 0.5

%P 0.1

%S 0.065

Superheating 200

Penetration Index 1.00

Metal Variables

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

Penetration Index

Ele

me

nt,

%

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Su

pe

rhe

at,

C

C

Si

SupHeat

Mn

P S

Metal Variables

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

Penetration Index

Ele

me

nt,

%

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Su

pe

rhe

at,

C

C

Si

SupHeat

Mn

P S

Mold Variables

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

Penetration Index

Meta

l. h

ead

, m

0

20

40

60

80

100

120

Hard

ness

GF

N

GFNHardness

Metal head

Mold Variables

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0.90 0.95 1.00 1.05 1.10

Penetration Index

Meta

l. h

ead

, m

0

20

40

60

80

100

120

Hard

ness

GF

N

GFNHardness

Metal head

42

Tipi di adittivi Inerto; ess, silicea Attivo; ess seacoal

Tutti gli aditivi lavorano riempindo gli spazi tra I grani di sabbia

Aditivi reattivi svolgono un lavoro migliore in

colmare i vuoti intergrannulari proteggono il carbonio

dall'ossidazione

Seacoal è un materiale bituminoso di alta

volatili

diventa plastico e si espande durante il riscaldamento

Carbonio vitroso

43

Diffetto: Cause: Soluzioni:

Penetrazioni dinamiche

eccesso di valocità durante il riempimento

modifica del sistema di colata per riduzione della velocità

Penetrazioni metallostatiche

la pressione (altezza) del metallo liquido

diminuire l'alteza del metallo, GFN della sabbia e temperatura di colata Aumentare durezza della terra di formatura cambiare la composizione chimica del metallo

Penetrazioni d'espansione

pressione dovuta alla espansione grafitica eutettica

provocare solidificazione progressiva(direzionale) in tutte le parti della fusione aggiungere un alimentatore come valvola di sfogo

44

Depletazione di carbonio C + H2O = CO + H2

Ossidazione Fe + H2O = FeO + H2 Formazione di Fayalite 2FeO(S) + SiO2(S) = Fe2SiO4(L)

FeO in sabbia silicea

Penetrazioni di fayalite

Sequenza delle reazioni chimiche nella interfaccia metallo-forma:

FeO

a) b)

c) d)

SiO2 FeO

fayalite

45

Sabbia silicea

steel

silice-fayalite eutettica

iron oxide

METALLO C Fe Mn Si Ni Cr

etc.

TERRA SiO2 or

ZrO2 or

Al2O3 C

etc.

GAS O2 H2

CO2 CO H2O

C + ½ O2 → CO

C + H2O → CO +H2

CO + H2O → CO2 + H2

C + H2O → CO + H2

Fe + CO2 → FeO + CO

Fe + H2O → FeO + H2

2FeO + SiO2 → Fe2SiO4

46

Fe+C mold

C in metallo

FeO

Ccr

O2 Matematicamente, sono

necessari tre elementi:

1. minimo (critico) di contenuto di

carbonio all'interfaccia per evitare

l'ossidazione del ferro - Ccr 2. flusso di carbonio diffuso

attraverso il metallo all'interfaccia

metallo - stampo - C 3. flusso di vapori di ossigeno /

acqua attraverso lo stampo

all'interfaccia - O2

47

0.2%C acciaio penetrazioni massici

0.35%C acciaol qualche penetrazione

48

Le penetrazioni chimiche si verificano sempre quando l’acciaio al carbonio è colato in sabbia verde senza aggiunte di carbonio

Sabbie con aggiunte di carbonio o sabbie con leganti chimici(resine) diminuiscono la di penetrazione del metallo liquido

Atmosfera ossidante aumenta la probabilità delle penetrazioni chimiche

Tenore alto di carbonio diminuisce la propensione alle penetrazioni chimiche

49

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18. D. M. Stefanescu, S.R. Giese, T.S. Piwonka and A.M. Lane, “Cast Iron Penetration in Sand Molds - Part I: Physics of Penetration Defects and Penetration Model”, AFS Trans., 104 (1996) 1233-1248

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51