Fucinatura: tecniche nucleari di caratterizzazione

(da: outsourcing.ready-online.com)

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La fucinatura meccanica è una lavorazione mediante deformazione plastica attraverso cui, a costi relativamente bassi, si possono ottenere prodotti d’elevata qualità con alta resistenza meccanica. Le deformazioni coinvolte, causate da pressioni e urti generati con opportune macchine, possono avvenire a freddo (T/Tf < 0,3), a media temperatura (0,3 < T/Tf < 0,6) o a caldo (T/Tf > 0,6), essendo T la temperatura di lavoro e Tf la temperatura di fusione. Le stesse deformazioni possono avvenire:

– liberamente tra piastre piane o di forma molto semplice (fucinatura libera)

– in matrici chiuse (fucinatura obbligata o stampaggio)

La fucinatura libera è effettuata su pezzi di forma semplice, sia di piccole, sia di grandi dimensioni, mentre lo stampaggio si impiega su pezzi relativamente piccoli e dalla forma complessa. Nello stampaggio, la massa di metallo è deformata, fino alla forma richiesta, tra uno stampo ed un controstampo che sono avvicinati di colpo col maglio o progressivamente attraverso la pressa, permettendo la produzione di componenti aventi tolleranze dimensionali molto strette.
La caratteristica principale dei pezzi fucinati è nella struttura fibrosa formatasi attraverso il processo, il più delle volte visibile ad occhio nudo e corrispondente all’orientazione dei grani cristallini e di fasi frammentate. Tale struttura trasmette al prodotto ottime proprietà meccaniche secondo certe direzioni, con elevato rapporto resistenza meccanica/peso, elevata tenacità e resistenza all’impatto e a fatica.
La fucinatura presenta vantaggi dal punto di vista economico analoghi a quelli della fonderia, grazie all’eliminazione di molte operazioni alle macchine utensili, con conseguente minor spreco di materiale e, nel caso dello stampaggio, con possibilità d’ottenere un gran numero di pezzi uguali aventi caratteristiche omogenee e attraverso minimi tempi di lavorazione. In termini quantitativi, più del 50% dei pezzi ottenuti per fucinatura sono utilizzati dall’industria automobilistica, circa il 25% è riferibile alla costruzione di veicoli pesanti come autotreni e trattori, mentre il resto alle industrie aeronautica, ferroviaria e di macchine per la produzione d’energia.
Il sistema di lavorazione della fucinatura meccanica è caratterizzato dai seguenti elementi: materiale di partenza, utensili costituiti da piastre o stampi, interfaccia materiale utensile, zona di deformazione, apparecchiatura costituita da magli o presse, prodotto finale, impianto ed ambiente.
Si può osservare che la velocità d’azione della macchina, per un dato materiale, influenza la velocità di deformazione e la tensione di scorrimento. Tale velocità, insieme alla temperatura degli utensili e alla geometria del pezzo, determina il flusso del metallo, il carico di fucinatura e l’energia necessaria alla lavorazione.
I materiali indirizzati alla fucinatura, oltre a possedere minore resistenza degli utensili, devono presentare un buon grado di fucinabilità vale a dire l’attitudine ad essere deformati attraverso tale processo. Questi materiali, perciò, devono essere malleabili e devono poter subire, senza rottura, profondi cambiamenti di forma entro un intervallo di temperatura molto ampio.
La fucinatura produce in generale un maggiore scorrimento del grano originato dal flusso forzato del materiale durante la lavorazione meccanica. Il grano risulta continuo attraverso il pezzo, le cui caratteristiche di resistenza risultano migliorate. I meccanismi di rigenerazione insieme al recupero dinamico e alla ricristallizzazione, inoltre, possono condurre alla tessitura cristallografica e all’anisotropia delle proprietà meccaniche, con conseguente possibilità di rendere le tensioni residue dipendenti dall’orientazione. Nella fucinatura alla pressa, ad esempio, il raffreddamento rende il pezzo più resistente e meno duttile, con conseguente rischio di rottura nel caso la deformazione continui. Le deformazioni, le tensioni, la micro- e la nano-struttura giocano un ruolo fondamentale nel processo di fucinatura. La velocità di lavoro della macchina, inoltre, può influenzare la velocità di deformazione e la tensione di scorrimento e, insieme alla temperatura degli utensili e alla geometria del pezzo, essa determina il flusso del metallo, l’energia di processo e il carico di fucinatura.
Per ogni materiale esiste un intervallo ideale di temperatura atto a favorire la lavorazione di fucinatura.
Se la temperatura discende al di sotto del minimo, si ottiene un aumento rilevante di resistenza alla deformazione. Se la temperatura sale al disopra di quella massima, invece, si può correre il rischio che il materiale in deformazione si “incolli” allo stampo: in altri termini, i pezzi sono da scartare e lo stampo è da ripristinare, con conseguente danno economico. I parametri termici più importanti in grado di influenzare la fucinatura, sono:

  • temperatura
  • modalità di riscaldamento
  • omogeneità del riscaldamento in seno alla massa del materiale da deformare
  • tempo di permanenza che, associato col livello di temperatura, ha notevole influenza sulle dimensioni del grano.

Si riportano, di seguito, informazioni sulla fucinabilità di alcuni materiali:

  • acciaio al carbonio: tra i materiali più impiegati, fucinabile abbastanza bene
  • acciaio inox: non facilmente fucinabile come l’acciaio al carbonio, per cui la fucinatura avviene solo in particolari casi
  • ghise: non essendo deformabili, non sono fucinabili
  • superleghe: fucinabili con difficoltà.

La stabilità ad alte temperature e il comportamento di deformazione delle superleghe a base di nichel, in particolare, dipendono sensibilmente dalle variazioni micro-strutturali causate da complesse condizioni operative termo-meccaniche. Il comportamento dei precipitati (carburi), inoltre, dipende dalla temperatura e dalla durata dei trattamenti termici.
Nella maggior parte delle lavorazioni di stampaggio, la temperatura del pezzo è maggiore di quella degli utensili, perciò il flusso del metallo e il riempimento dello stampo sono condizionati – oltre che dalla tensione di scorrimento, dalla fucinabilità e dalla complessità della geometria finale del pezzo – anche dagli effetti del raffreddamento da parte degli stampi all’interfaccia matrice/stampo e dalle modificate condizioni d’attrito che ne derivano.
La fucinabilità aumenta al crescere della temperatura, ma conseguentemente aumentano le dimensioni di grano. Solo nel caso di alcuni materiali, la temperatura decresce all’aumentare della dimensione di grano, risultando inoltre influenzata dalla presenza di seconde fasi e dallo stato tensionale relativo all’operazione.
Nella ricalcatura con grandi deformazioni, si possono verificare delle rotture in corrispondenza del cosiddetto “barreling“. Tale fenomeno è rappresentato da un ingobbamento laterale dalla caratteristica forma “a botte”, causato dalla presenza di forze d’attrito e caratterizzato da un raffreddamento del materiale in prossimità delle superfici dello stampo, mentre il resto del pezzo rimane relativamente caldo. A causa della maggiore resistenza alla deformazione del materiale freddo rispetto a quello caldo al centro, la parte centrale si espande lateralmente e si creano tensioni di trazione.
Per evitare ciò si deve ricorrere ad opportune pressioni idrostatiche che aumentano la fucinabilità del materiale, oppure possono impiegarsi stampi riscaldati o lubrificanti. Nella fucinatura, le caratteristiche del lubrificante devono permettere di realizzare le seguenti funzioni:

  • riduzione dell’attrito tra pezzo e matrice, con le finalità di:
  • ridurre la pressione di lavorazione richiesta
  • riempire le cavità degli stampi
  • controllare il flusso del metallo
  • impedimento delle saldature locali
  • impedimento del successivo danneggiamento della matrice e della superficie del prodotto
  • isolamento termico tra pezzo e matrice
  • riduzione delle fluttuazioni termiche sulla superficie della matrice
  • bagnamento uniforme della superficie, onde consentire la lubrificazione su tutta la superficie
  • sviluppo di una pressione di gas atta a consentire la rapida estrazione del pezzo dallo stampo.

Il lubrificante, pertanto, dovrà essere:

  • non abrasivo per gli stampi
  • non corrosivo per gli stampi
  • libero da residui che si accumulerebbero sul pezzo
  • non tossico
  • non inquinante.

Nessun lubrificante, tuttavia, soddisfa interamente i requisiti elencati. Di conseguenza, si eseguono trattamenti termici sui fucinati: l’austenizzazione, seguita da indurimento e rinvenimento, ad esempio, è un trattamento termico generalmente effettuato su fucinati in acciai al carbonio e acciai legati.
Nonostante i vari accorgimenti e i processi termici impiegati, i componenti fucinati possono ancora presentare uno stato di tensioni residue ed una configurazione micro- e nano-strutturale tali da pregiudicare le loro prestazioni. Un’opportuna investigazione dei pezzi forgiati, perciò, è essenziale per il loro perfezionamento, e vantaggi particolari possono essere conseguiti mediante l’impiego di tecniche nucleari basate sui neutroni.

Problematiche e metodi
Nell’investigazione di materiali e componenti per impiego industriale, le informazioni ottenibili mediante i classici metodi d’analisi possono risentire di una sostanziale insufficienza di dati essenziali che hanno lo scopo di far comprendere e in definitiva prevedere l’invecchiamento, la durata e i potenziali danneggiamenti. Tali dati possono essere ottenuti mediante tecniche nucleari basate sui neutroni, in particolare tramite la diffusione neutronica a piccoli angoli (DNPA), per la caratterizzazione a livello di micro- e nano-scala e la diffrazione neutronica (DN), per la determinazione delle tensioni residue interne e sub-superficie. I modelli basati sull’investigazione mediante tecniche neutroniche di campioni/componenti reali e combinati col metodo degli elementi finiti (FEM), possono essere sviluppati in termini di ricristallizzazione dinamica e fenomeni di accrescimento del grano, con l’obiettivo di predire l’evoluzione micro- e nano-strutturale del materiale durante la fucinatura ed anche altri processi termo-meccanici.
Le tensioni residue sono definite come quelle interne esistenti in un sistema isolato in equilibrio meccanico, non sottoposto ad alcuna forza o momento dall’esterno. Esse insorgono conseguentemente a processi di produzione e formatura o in seguito a trattamenti e possono raggiungere livelli assai elevati. Le tensioni residue possono essere presenti in materiali, componenti e strutture d’interesse industriale. Esse non sono associabili a sollecitazioni direttamente applicate, perciò devono autoequilibrarsi. La loro conoscenza, oltre a svolgere un ruolo di primario rilievo nello studio della microstruttura, contribuisce alla soluzione di problematiche riguardanti materiali e rivestimenti, fornendo informazioni di notevole importanza per:

 

  • pianificare i processi di produzione (compreso il miglioramento delle caratteristiche di qualità e di sicurezza nei materiali e componenti ingegneristici, inclusi quelli prodotti mediante fucinatura)
  • analizzare le condizioni d’esercizio ed i controlli nelle fasi di progetto e di manutenzione.

Tensioni e deformazioni possono insorgere, ad esempio, in parti motori quali alberi, ingranaggi oppure in dischi di freni in seguito alla produzione e/o all’uso.
Per quanto riguarda le superfici, è noto che trattamenti superficiali tipo pallinatura o asportazione mediante laser possono facilmente indurre tensioni residue anche a profondità di svariati millimetri: la loro variazione può salire ai massimi livelli entro il primo millimetro sotto la superficie.

Le tensioni residue sono classificabili in tre ordini:

  • 1° ordine (tensioni macroscopiche o “macrotensioni”), allorché coinvolgono parecchi grani cristallini. Le stesse rivestono un’importanza cruciale per compiere valutazioni strutturali e progettare componenti meccanici
  • 2° ordine (microscopiche omogenee o “intergranulari”), quando variano tra grano e grano. Le stesse sono attribuibili alle differenti proprietà termo-meccaniche di grani adiacenti diversamente orientati, e sono correlabili al grado d’incrudimento
  • 3° ordine, (microscopiche non omogenee o microtensioni”), allorché variano internamente al grano cristallino auto-equilibrandosi nello stesso. Le stesse sono attribuibili a difetti reticolari (ad es., dislocazioni, soluzioni interstiziali e sostituzionali).

Le tensioni residue sono riconducibili al ciclo produttivo del pezzo e possono insorgere conseguentemente a processi di produzione e formatura, raggiungendo livelli assai elevati. Le stesse possono essere: d’origine meccanica, vale a dire in seguito a lavorazioni meccaniche (ad esempio, fresatura rettifica, tornitura), deformazione plastica (ad es., fucinatura, laminazione, trafilatura) trattamenti meccanici (ad es., martellatura, pallinatura, rullatura); d’origine termica/metallurgica, vale a dire in seguito a trattamenti termici (ad es., cementazione, nitrurazione, tempra), applicazione di ricoprimenti, e saldatura. Quest’ultima coinvolge elevati gradienti di temperatura, da cui possono derivare tensioni residue paragonabili a quelle di snervamento.
Le informazioni sulle tensioni residue sia in fase di progetto, sia in quella di manutenzione, possono rivelarsi utili per ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità di componenti, macchine ed impianti.
La DN può facilitare lo studio dell’evoluzione della tessitura durante le trasformazioni di fase nei materiali fucinati: la combinazione di risultati numerici e sperimentali è utile a predire la formazione di entità cristallografiche conseguenti alla fucinatura. I risultati conseguibili possono essere di valido aiuto per ottimizzare la qualità dei prodotti fucinati, soprattutto in relazione con prestazioni e affidabilità.
La determinazione delle tensioni residue mediante DN fornisce informazioni fondamentali, inoltre, nelle seguenti operazioni:

  • analisi degli esiti della concentrazione di tensioni residue in corrispondenza d’intagli o di cricche, in condizioni di carico
  • controllo dell’efficacia di trattamenti distensivi successivi alla saldatura
  • determinazione della frazione di rilassamento delle tensioni residue, alle temperature operative, in componenti quali giunti laminati e tubi curvi.

Tecniche convenzionali quali la diffrazione dei raggi X, consentono di misurare le deformazioni residue soltanto fino alla profondità d’alcuni micron dalla superficie esterna. Mentre i raggi X offrono un’eccellente risoluzione, ma sono assorbiti facilmente dai materiali (riuscendo a penetrarne soltanto strati superficiali), infatti, i neutroni, possedendo un coefficiente d’assorbimento lineare circa 1000 volte più debole rispetto ai primi, penetrano la materia fino a diversi centimetri (circa 1-2 cm riguardo agli acciai, circa 5-6 cm riguardo all’alluminio e le sue leghe). La DN, pertanto, è l’unico strumento valido per poter conoscere realmente lo stato delle deformazioni e tensioni residue interne e sub-superficie anche attraverso la loro distribuzione spaziale. Ciò può consentire una più corretta valutazione di come il componente sia stato influenzato dai precedenti trattamenti.
La determinazione delle tensioni residue mediante DN si effettua impiegando appositi diffrattometri, in cui il fascio di neutroni è monocromatizzato mediante selettori di velocità o tramite cristalli monocromatori orientati; questi ultimi impiegano riflessioni da determinati piani (hkl), onde selezionare la lunghezza d’onda λ desiderata. Lo Studio d’Ingegneria Rogante, riferimento per le Applicazioni Industriale delle Tecniche Neutroniche®, ha sviluppato per tali applicazioni apposite procedure di misurazione ed elaborazione dati.
Le tecniche neutroniche hanno fornito sempre più, negli ultimi anni, un valido contributo per la soluzione di problemi di tipo industriale. I neutroni sono particelle elementari, in sostanza prive di cariche elettriche, costituenti – assieme ai protoni – il nucleo atomico. La caratteristica di non interagire elettricamente con gli elettroni ed i nuclei nella materia presenta il vantaggio di poter penetrare la stessa materia in profondità. I neutroni sono creati da sorgenti continue (reattori nucleari) oppure da sorgenti pulsate (acceleratori). Nelle sorgenti continue, i neutroni sono prodotti dalla reazione di fissione di nuclei pesanti quali 235U oppure 239Pu, ed inizialmente sono caratterizzati da un’energia assai elevata; essi sono in seguito rallentati ad energie termiche tramite dei moderatori, quindi sono sottoposti a collisioni che li rallentano ulteriormente per condurli in equilibrio termico col mezzo circostante. Speciali tubi-guida hanno, infine, il compito di trasferire i neutroni prodotti dall’interno del nocciolo ai diversi strumenti (ad es., diffrattometri e spettrometri).

Esempi di applicazioni
Campioni forgiati in lega d’alluminio EN AB-48000 (DIN 260) sono stati investigati dallo Studio d’Ingegneria Rogante mediante diffusione neutronica a piccoli angoli, con lo scopo di analizzarne l’evoluzione micro- e nano-strutturale. La fucinatura è stata eseguita a caldo nell’intervallo di temperature 360-500°C. La composizione chimica di tale lega è (in percentuali di peso): Si (11,0-13,5), Fe (0,15), Cu (0,8-1,3), Mn (0,05), Mg (0,9-1,3), Zn (0,10), Ti (0,10), Be (tracce). Tra le leghe monolitiche, tale lega possiede la migliore resistenza alla formazione di cricche paragonata alle leghe Al25Si ed Al 20SiNi [11], e le sue caratteristiche meccaniche sono estremamente sensibili ai trattamenti termici.
L’alterazione delle proprietà meccaniche dovute all’invecchiamento può essere paragonata alle alterazioni di distribuzione dimensionale dei precipitati. I cambiamenti delle caratteristiche dei precipitati, infatti, possono fornire delle informazioni pratiche, in particolare se paragonati con i risultati di test e analisi convenzionali, ad esempio le micrografie e le misure di durezza residue. Le micrografie del materiale considerato hanno mostrato una crescita intensa di precipitati sui confini dei grani (o le regioni dei raggruppamenti delle dislocazioni): la disposizione dei precipitati, perciò, riflette la geometria delle superfici del grano.
Le applicazioni principali di tale lega includono cuscinetti di scorrimento, ingranaggi, componenti di pompe e, in genere, componenti che richiedono elevate caratteristiche meccaniche a caldo.
Analisi comparative di forma e dimensioni dei precipitati dopo differenti periodi operativi sono utili per valutare il processo d’invecchiamento e per rintracciare le zone di maggiore alterazione termica.
Dette curve rappresentano l’intensità deflessa I (numero di neutroni deviati dalla direzione d’incidenza nell’unità di tempo) in funzione del vettore d’onda q scambiato tra i neutroni incidenti e quelli diffusi. Tale intensità è direttamente proporzionale alla sezione d’urto macroscopica dS/dW delle disomogeneità. Le curve mostrano sensibili differenze tra i due campioni, indicando un’evoluzione della frazione volumica e della distribuzione dimensionale dei precipitati. I dati sono stati ottenuti nell’intervallo del vettore d’onda q:

q =(4p/l)sin(q/2) = 0.005¸0.12 Å-1

che corrisponde alla scala di spazio:

R~1/q =8¸200 Å

La ricerca di difetti (precipitati) a tale livello di scala rappresenta uno dei più importanti fattori per la diagnostica di stati prematuri d’invecchiamento del materiale.
Il campione 2 mostra un incremento (di un fattore uguale a 2) dell’intensità di diffusione a bassi valori di q ~ 0.005¸0.02 Å, indicando la crescita dei difetti al livello di scala ~ 100 Å.
Per quanto concerne gli alti valori di q ~ 0.1 Å, invece, la diffusione diventa più debole, il che dimostra la scomparsa di piccoli difetti (ad esempio, ricottura di vuoti), e tale è il risultato di un processo termico del materiale durante il periodo operativo del pistone.
Come risultato, l’operatività addizionale del campione 2 rispetto al campione 1 produce una crescita dei precipitati aventi dimensione caratteristica R~1/q~50¸100 Å.
Un disco di acciaio NiCrMoV forgiato, utilizzato in compressori di turbina a gas, è stato investigato mediante entrambe le tecniche DNPA e DN.
L’analisi di questa lega a base di ferro (Fe = 94 % in peso) mediante DNPA ha avuto, come principale obiettivo, la ricerca sulle inclusioni micro-fase (precipitati) formatesi propriamente in corrispondenza di dislocazioni nel volume di metallo.
Si può notare che una piccola diminuzione del raggio di girazione RG del 10-15 % è accompagnata da un notevole aumento di concentrazione NP=(1-3)1014 cm-3 di tali entità.
La variazione della dimensione e della concentrazione dei carburi, sebbene la frazione volumica degli stessi rimanga in sostanza la stessa nelle differenti regioni del campione, può influenzare la resistenza al creep del materiale.
In definitiva, il materiale costitutivo del componente, privo di tessitura dei precipitati nelle zone esaminate, possiede una nano-struttura isotropa, composta di:

  • domini minuscoli (precipitati, aventi diametro ~ 200-300 Å)
  • concentrazione N » (1-3)×1014 cm-3
  • frazione volumica j »1-0.2 %
  • area della superficie totale d’interfaccia metallo-carburo St »2-0.4 m2.

I dati DNPA testimoniano che il materiale ha una bassa concentrazione di nano-difetti, paragonato a simili acciai dopo trattamento termico, nei quali è indotta un’intensa formazione di precipitati la cui frazione volumica supera all’incirca il valore di 1 %.
La valutazione delle deformazioni e delle tensioni residue è stata effettuata sullo stesso componente mediante DN, in corrispondenza dei massimi valori di tensione individuati attraverso indagine FEM. Tali componenti possono presentare tensioni residue interne in prossimità dei denti, dovute sia al processo di fabbricazione, sia al periodo d’operatività.

 

 

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