Provini microstrutturali e meccanic

L’attrezzatura sperimentali a moduli termici differenziati è stata concepita per ottenere una diversificazione delle condizioni di raffreddamento della lega in funzione delle velocità di raffreddamento imposte tramite il sistema di raffreddamento attivo. Tuttavia le condizioni di raffreddamento non variano solo in funzione dalla distanza dal sistema di raffreddamento, ma anche in funzione della distanza dalla superficie del getto. Una campagna di analisi metallografica e di prove meccaniche del materiale colato risulta necessaria per valutare l’effettiva entità dei gradienti di microstruttura.

Figura 5.9 – Schema di estrazione del materiale di caratterizzazione per : analisi metallografica, prova di trazione, prova di resilienza. Denominazione x.y.z identificativa della posizione del punto misurato: x) attrezzatura, y) fetta, z) sezione verticale.

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a) b)

c) d)

Figura 5.10 – Materiale di caratterizzazione per analisi metallografiche, prove di trazione, prove di resilienza. a) Fette da attrezzatura 1 di riferimento, b) fette da attrezzatura 2 a raffreddamento attivo, c) divisione fette da attrezzatura 1 in settori verticali, d) divisione fette da attrezzatura 2 in settori verticali.

In primo luogo è stato necessario individuare i punti più rappresentativi per l’indagine, cioè quelli che evidenziassero un maggior gradiente di caratteristiche microstrutturali. Si è quindi deciso di estrarre materiale per la caratterizzazione microstrutturale e meccanica in una matrice di punti distribuita sia in orizzontale (distanza dal sistema di raffreddamento) sia in direzione verticale

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(zone massive centrali o zone periferiche inferiori e superiori). In figura 5.9 è riportato lo schema secondo il quale sono stati estratti e denominati i campioni di caratterizzazione.

Come visibile in figura 5.10 a e b , si sono tagliate tre fette di materiale da ognuno dei due getti (quello di riferimento identificato con il numero 1, quello a raffreddamento attivo con il 2) . Ogni fetta è stata a sua volta tagliata in tre settori verticali identificati con numerazione crescente in funzione della distanza dall’interno del getto (fig. 5.10c,d). Ogni settore verticale di ogni fetta è stata dedicato ad un diverso tipo di indagine:

- analisi micro strutturale - prova di trazione - prova di resilienza

Effettuando in ogni fetta diverse prove per diverse posizioni dei settori verticali, per ogni tipologia di indagine si sono ottenuti dati relativi a materiale proveniente da zone interne, centrali ed esterne.

Inoltre, per quanto riguarda le analisi microstrutturali, si sono distinte in ogni sezione verticale tre ulteriori zone: a)superiore, b)centrale, c)inferiore. Dopo spianatura e levigatura meccanica con carte abrasive, si sono effettuate analisi metallografiche dei campioni per valutare le informazioni relative alla fase grafitica. In seguito, si è effettuato un attacco dei campioni con reattivo chimico Nital2 col fine di valutare le caratteristiche microstrutturali della matrice metallica. Si sono ottenuti dati relativi alle seguenti proprietà microstrutturali: densità e morfologia dei noduli di grafite, composizione della matrice metallica (Ferrite e Perlite percentuali).

Per quanto riguarda le caratteristiche del software di simulazione di colata e previsione delle microstrutture impiegato (ProCast, EsiGroup), si rimanda al capitolo 2.5.

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5.2RISULTATI DELLE MISURAZIONI SPERIMENTALI

5.2.1 Curve di raffreddamento ed analisi termica

L’andamento delle temperature acquisite in sei punti di misurazione nei getti è riportato nelle figure 5.11 e 5.12. L’acquisizione delle temperature all’interno dei getti è stata portata avanti per un tempo totale di 5 giorni, anche dopo la fase di destaffaggio, effettuato dopo circa 35 ore dal riempimento ad una temperatura media dei getti inferiore ai 400°C. Il segnale di temperatura relativo alla attrezzatura 1 di riferimento (fig. 5.11) ha subito evidenti perturbazioni, probabilmente a causa di un danneggiamento dei cavi di trasmissione del segnale o delle termocoppie stesse. E’ stato comunque possibile ottenere almeno una curva di raffreddamento con segnale non disturbato ed alcuni tratti validi anche per le altre due termocoppie. I segnali di temperatura relativi all’attrezzatura con raffreddamento attivo presentano solo lievi disturbi (fig. 5.12). In generale si registrano piccole differenze di temperatura fra i diversi punti di misura.

Figura 5.11 - Andamento delle temperature della lega registrato nei tre punti di misura posti nel getto 1 colato nell’attrezzatura sperimentale di riferimento.

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Figura 5.12 - Andamento delle temperature della lega registrato nei tre punti di misura posti nel getto 2colato nell’attrezzatura sperimentale a raffreddamento attivo.

In figura 5.13 si riporta il confronto fra le temperature registrate nelle nei punti di misura T2 relativi alle zone centrali nelle due diverse attrezzature nelle prime 5 ore, durante le quali avviene la solidificazione. Per entrambe le curve si osserva un primo leggero cambio di pendenza fra i 1160 e i 1140°C, associabile alla fase di solidificazione della lega nel crogiolo impiegato per il posizionamento delle termocoppie. Gli andamento in questa fase sono comunque coerenti con le considerazioni fatte su questa metodologia di monitoraggio delle temperature effettuate nel cap. 3.2.3. A causa della posizione periferica dei punti di misura rispetto ai punti caldi del getto, la fase di solidificazione delle zone massive del getto si osserva in maniera indiretta, con una fase di stasi intorno ai 1040°C dovuta al passaggio del calore latente rilasciato attraverso le zone periferiche del getto. Da questo tipo di monitoraggio si possono ricavare poche informazioni sulle temperature caratteristiche a cui avvengono i fenomeni di solidificazione della lega, ma può comunque fornire informazioni utili sui tempi di solidificazione all’interno del getto.

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Figura 5.13 - Andamento delle temperature della lega registrato nei punti di misura T2 relativi alle zone centrali dei getti 1 e 2 colati rispettivamente nell’attrezzatura sperimentale di riferimento e a raffreddamento attivo. Dettaglio sulla fase di solidificazione.

Figura 5.14 - Andamento delle temperature della lega registrato nei punti di misura T2 relativi alle zone centrali dei getti 1 e 2 colati rispettivamente nell’attrezzatura sperimentale di riferimento e a raffreddamento attivo. Possibili tempi di destaffaggio (shake out).

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In figura 5.14 si riporta il confronto fra le temperature registrate nelle due diverse attrezzature durante tutto il processo. Si registrano poche differenze fra le temperature dei due getti durante la fase di solidificazione. Al contrario, dopo la solidificazione l’effetto del raffreddamento attivo è evidente. Questi andamenti confermano l’efficacia dell’attrezzatura impiegata ed il raggiungimento dell’obiettivo di variazione delle velocità di raffreddamento in particolare durante le fasi di trasformazione eutettoidica. Il getto 2 con raffreddamento attivo raggiunge la temperatura di 450°C (temperatura sufficiente per un destaffaggio ) in 24 ore contro le 35 dell’attrezzatura di riferimento. Si tratta di un guadagno di 9 ore sui tempi di destaffaggio corrispondente ad un riduzione intorno al 30% sui tempi del processo di colata, con evidenti vantaggi di costi.