L’angolo dei difetti: la cricca nascosta

difettoUno fra i difetti che si riscontrano nei getti prodotti, per esempio, in HPDC, in leghe di alluminio da fonderia e che può anche essere impercettibile a occhio nudo e ai raggi X (per dimensioni limitate o per la geometria del getto in analisi), durante gli usuali controlli in produzione, è rappresentato dalle cricche. Tale difetto può essere interno ed esterno. La cricca è tuttavia definita comunemente come una discontinuità geometrica e nei getti pressocolati si forma generalmente a temperatura sostanzialmente bassa, distante dall’intervallo di solidificazione, e ha genesi nella regione di spazio ove si verifica una contrazione termica del getto, che è contrastata da quella dello stampo, che ha effetto molto inferiore.
In tali condizioni, nel getto possono riprodursi sforzi di natura termica localizzati, che possono raggiungere valori molto elevati, tali da causare queste rotture nel getto. Naturalmente, singolarità e brusche variazioni di sezione, se presenti proprio nelle zone in cui si hanno tali fenomeni di tensioni da contrazione termica, possono dare origine a cricche, proprio a causa dello stato di tensione molto elevato presente in tali aree. Allo stesso modo, le cricche si possono originare a causa di difetti già presenti nel getto, poiché tali difetti determinano un effetto svantaggioso in termini di rafforzamento degli sforzi, proprio in quelle aree interessate dalla presenza di difetti, per esempio, interni al getto. Le cricche, infatti, tendono a intercettare tali difetti interni ubicati lungo il percorso di propagazione delle stesse. La morfologia di una cricca è identificabile come una stretta regione non occupata da metallo, compresa tra due superfici affacciate, che confluiscono in corrispondenza dell’apice. Se si effettua la sezione metallografica del difetto in esame, è possibile notare un’area di dimensioni limitate contraddistinta da assenza di materiale delimitata da due linee che convergono in corrispondenza dell’apice della cricca e che possono seguire o meno il profilo della microstruttura del getto.
Sulle superfici della cricca non si osserveranno fenomeni ossidativi, visto che tale difetto si origina a solidificazione terminata, quindi a basse temperature, a meno che, il getto non venga sottoposto a trattamenti termici. Se si osserva presenza di ossidi sulle superfici di frattura, invece, possiamo affermare che i difetti erano già presenti, e in tal caso, hanno agito come concentratori di sforzi, come detto in precedenza. Le cricche che si originano in superficie o in posizione sub-superficiale, per esempio in aree maggiormente sollecitate e/o affette da altri difetti preesistenti nel getto, si possono propagare ed estendere in ampie regioni interne al getto, fino anche ad attraversarlo.
Come altri difetti che si possono verificare nei getti di fonderia, anche le cricche hanno un effetto molto negativo sulla vita a fatica dei componenti in lega di alluminio, visto che ne abbreviano lo stadio di propagazione della cricca, ma anche il periodo di nucleazione. Il decadimento della resistenza a fatica è generalmente correlabile all’aumento delle dimensioni del difetto ed alla vicinanza dello stesso alla superficie del getto. Nel nostro caso, come si vedrà più avanti, il difetto (cioè la cricca) ha avuto origine interna alla filettatura della borchia, per finire poi all’eterno, sul piano lamatura, e per terminare sulla superficie esterna del getto, anche se apparentemente, a un primo esame visivo dello stesso, tale micro-cricca esterna poteva essere addirittura confusa con una crettatura (ossia col positivo sul getto della crettatura presente sullo stampo da pressocolata), di cui si è discusso in precedenza su Fonderia Pressofusione.

Premessa al caso pratico
Il difetto in esame, riscontrato sul getto in HPDC, prodotto in lega standard AlSi9Cu3Fe (conosciuta comunemente anche con la designazione di lega 46000), non si evidenziava a occhio nudo e si palesava in prossimità della lamatura di una borchia, solo dopo la lavorazione meccanica per asportazione di truciolo.
La borchia infine veniva filettata internamente. Prima della lavorazione meccanica non si evidenziava nessun difetto che potesse determinare una perdita in prova di tenuta. Il getto sottoposto a prova di tenuta dava esito assolutamente negativo, determinando la non conformità dello stesso, poiché si verificava la perdita proprio in corrispondenza del piano della borchia, senza che se ne riuscisse a comprendere la causa. A occhio nudo il difetto, appena percettibile, appariva come non interconnesso con la borchia filettata e, quindi, non spiegava il problema di perdita a tenuta. All’esame dei raggi X non si evidenziava nessun difetto lungo la borchia, né si riuscivano ad intravedere cricche sul piano della stessa, né altri difetti.

Obiettivo della failure analysis
Lo scopo dell’indagine metallurgica, resa imprescindibile ed essenziale per la veloce risoluzione del problema sui getti pressocolati sottoposti ad analisi, assolutamente non accettabili col difetto in esame, poiché esso ne determina una zona con possibile o, meglio, altamente probabile perdita in esercizio, proprio in corrispondenza della borchia in esame.
Il primo passo della failure analysis in esame è stato quello di verificare e di individuare la natura del difetto non rilevato visivamente e neanche agli esami Rx dagli addetti al controllo della qualità in produzione. Sono stati esaminati dapprima tre campioni che presentavano il difetto sul piano di lamatura della borchia, appena percettibile a occhio nudo, ma solo sui getti lavorati, e che avevano perso in prova tenuta; ma ciò non offriva sufficienti informazioni sulla provenienza del difetto stesso, poiché visivamente non ben chiaro e palese.
L’output richiesto dall’analisi del problema è stato l’ indicazione delle possibili cause della failure. Tale difetto non era tuttavia presente in eguale misura su tutti i getti prodotti. Questo significa che l’entità del difetto, in termini dimensionali, era variabile da getto a getto.

Descrizione del lavoro
Il difetto, non sempre visibile a occhio nudo sui tre getti esaminati , si presentava in prossimità della  zona esterna del getto, sul piano lavorato della borchia, ma restava comunque, all’esame visivo, non connesso con la filettatura interna alla borchia. Quindi, non si riusciva a spiegare la perdita in prova tenuta dei getti, visto che il difetto appariva come superficiale e anzi appena percettibile. Per questi motivi si è resa indispensabile l’analisi della failure attraverso alcuni esami macro/micrografici.
Ne sono scaturiti una valutazione della natura del difetto, l’identificazione della morfologia, la determinazione delle dimensioni e dell’estensione del difetto, la localizzazione precisa e i suggerimenti sulle possibili cause della presenza del difetto e sulle possibili soluzioni.
La parte di getto esaminata (la borchia), contenente il difetto, è stata sezionata longitudinalmente sulla lamatura e trasversalmente alla borchia filettata, per determinare con accuratezza le dimensioni reali e l’estensione del difetto. Sono stati ricavati così, per i tre getti esaminati, tre provini del piano della lamatura della borchia e tre campioni interni della borchia filettata, che comunque hanno evidenziato le stesse problematiche ed un risultato inaspettato, poiché non visibile a occhio nudo.

Interpretazione e risultati dell’esame metallurgico, macrografico e micrografico
Dalle macrografie si evidenzia immediatamente una cricca all’interno della filettatura della borchia. Con un ingrandimento di soli 4x si evidenziano l’innesco della cricca ortogonale all’asse della borchia, all’interno di un filetto; e il culmine, fase terminale, della stessa cricca (che si apre in due cricche distinte) sulla lamatura della borchia, sino ad arrivare sulla superficie esterna del getto.
A 5x si evidenziano le dimensioni medie della cricca durante il suo sviluppo morfologico. La probabile causa della cricca, ipotizzata in fase preliminare, è stata attribuita a un cedimento strutturale interno al filetto, per dimensioni della borchia insufficienti: ipotesi poi confermata.
Non si evidenziano difetti interni al getto lavorato, riconducibili alla cricca e tali da generarla sul piano lamatura. Tuttavia, la cricca si generava proprio all’interno del filetto dopo il serraggio della vite all’interno della borchia filettata e si propagava sulla lamatura, anche perché la borchia presentava uno spessore ridotto. Dall’esame micrografico della struttura nelle zone in prossimità della cricca non si riscontrano altri difetti che possono aver indotto e generato il difetto stesso (ossidi, giunti freddi, altre cricche, e altro ancora), che è solo riconducibile a geometria e spessore errati della borchia, problemi di lavorazione all’utensile durante l’esecuzione della filettatura oppure a un eccessivo serraggio della vite nella borchia stessa, che generava un cedimento della struttura circostante del getto, nucleando la cricca, che si propagava senza difficoltà lungo i micro difetti della filettatura, non eseguita correttamente, e terminando poi sul piano lavorato esterno al getto.

Le conclusioni e le soluzioni adottate
Dall’interpretazione degli esami realizzati, dal feedback che deriva dalle immagini macro e micrografiche eseguite, è possibile quindi concludere che la causa del difetto è stata generata dalle ridotte dimensioni dello spessore della borchia stessa e da un eccessivo serraggio in fase di assemblaggio del getto, oltre che da una non corretta lavorazione del filetto interno alla borchia.
Tutte queste cause hanno determinato il cedimento strutturale di quello spessore delimitato dalla borchia, per una eccessiva intensificazione degli sforzi, che degenerava poi in una cricca lungo il filetto, attraversando la borchia per tutta la sua lunghezza e sfociando poi sul piano lavorato, per terminare sulla superficie esterna del getto. Tutto ciò era difficilmente ipotizzabile prima di eseguire gli esami macro e micrografici, poiché il difetto in esame non era assolutamente visibile a occhio nudo, ma come si è avuto modo di vedere era tale da determinare la perdita in prova tenuta di tutti i getti prodotti. In principio, addirittura, si è anche ipotizzato che la cricca potesse essersi originata dall’esterno del getto, per poi propagarsi lungo la borchia, ma le micrografie smentiscono questa ipotesi preliminare, poiché si è trovato il punto di innesco della cricca, internamente al filetto.
Le soluzioni adottate, per la risoluzione del problema, sono state: l’incremento dello spessore della borchia, che era sottodimensionato, per quel tipo di serraggio; e la risoluzione del problema della lavorazione interna del filetto. Tali modifiche hanno risolto completamente il problema, azzerando la probabilità di formazione di cricche interne alla borchia e di probabili perdite in prova tenuta o, peggio, di perdite in esercizio dei componenti pressocolati.

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