Squeeze e difetti di solidificazione

(da: Iifsr.in)

(da: Iifsr.in)

[…] Si ha una trasformazione eutettica quando una lega di composizione eutettica viene raffreddata lentamente al di sotto della temperatura eutettica (T più bassa di esistenza della fase liquida durante un raffreddamento lento), per cui il liquido monofase si trasforma simultaneamente in due fasi solide (soluzioni solide α e β); in forma generale essa può anche essere scritta come: liq.à raffreddamento à α + β.
Una tale trasformazione è anche definita invariante perché essa avviene in condizioni di equilibrio a una specifica temperatura e composizione di lega che non possono appunto essere variate: composizione e temperatura eutettica, infatti, determinano un cosiddetto punto eutettico sul diagramma di stato, nel quale la fase liquida si trova in equilibrio con le due soluzioni solide α e β, e quindi coesistono tre fasi di equilibrio. Poiché in un diagramma di stato binario, quando sono presenti tre fasi, la varianza è pari a 2+1-3=0 (zero gradi di libertà, F+V=C+1), alla temperatura eutettica si ha un arresto termico nella curva di raffreddamento di una lega di composizione eutettica […].Il ritiro interdentritico
Il ritiro interdentritico è costituito da una serie di discontinuità e cavità dislocate nelle regioni interdendritiche, che si originano anche quando il flusso di liquido in direzione di queste regioni e/o di quelle circostanti risulta insufficiente per alimentare e per bilanciare il ritiro stesso della lega metallica nella fase di solidificazione. Nelle regioni citate, perciò, si originano così tali vuoti, che se interconnessi rappresentano dei siti preferenziali per la generazione di cricche.
Queste cricche possono risultare critiche e in alcuni casi in cui il getto deve essere sottoposto a tenuta in pressione o deve soddisfare particolari caratteristiche meccaniche, in generale. Le formazioni di tali porosità interdendritiche sono favorite altresì dalla presenza di zone pastose, come nel caso che abbiamo deciso di prendere in questa occasione in esame, nel quale viene utilizzato un sistema atto a compattare una zona, un sito di porosità da gas, in special modo di idrogeno, che viene definito sistema squeeze. Queste zone pastose dipendono anche dalla tipologia di lega, dalla sua composizione chimica reale, al momento della colata e dell’iniezione in stampo, dagli intervalli di solidificazione e non da ultimo dai gradienti di temperatura, che come nel getto in esame si generano a causa delle interazioni tra metallo e stampo, tra la superficie dello squeeze, il metallo e infine il resto del getto parzialmente già solidificato.
L’interazione tra squeeze e metallo e il resto del getto circostante, rappresenta un caso tipico di difettologia, che può verificarsi quando si lavora con degli stampi metallici, per i quali occorre considerare il processo di colata insieme a tutte le possibili cause esterne, che possono generare gradienti termici, differenti strutture di solidificazione e, conseguentemente, differenti e, spesso non accettabili, caratteristiche fisico-meccaniche.
Tra  le cause che possono condurre all’insorgenza di simili problematiche sui getti, vi sono anche infatti degli elementi esterni, fra le quali possiamo includere anche tutte le forze applicate dall’esterno al sistema che si trova nella fase della solidificazione. Frequentemente queste cause sono dovute al contatto del metallo con tutte le altre superfici metalliche, differenti, oppure no, dalla stessa lega; all’azione della pressione del battente liquido (cioè la pressione idrostatica), ma anche, come in questo caso, alla pressione esercitata dallo squeeze sul piano della cartella del getto, che deve essere compattato, in quella particolare zona.
Tutte queste interazioni generano inevitabilmente delle tensioni (tensioni di trazione o di compressione, solo per ricorrere a qualche esempio) nel fronte solido e nella zona interessata dal problema esaminato in questa circostanza. Il risultato è che si formano così delle zone caratterizzate da un maggiore distacco/contrazione/tensioni e, in corrispondenza di queste isole, l’estrazione del calore viene ridotta dal maggior isolamento. Lo spessore del solido, qualora esso sia relativamente più piccolo rispetto alle zone adiacenti, o viceversa, può provocare qualche volta anche una locale flessione verso l’interno del fronte solido circostante la zona lavorata con il sistema squeeze. Questo può generare effetti che si associano e creano delle tensioni sul fronte dendritico nella zona più fragile. Così come in questo caso, come si vedrà in seguito, dall’esame macro vengono evidenziate le dendriti che si sono arrestate e che per tale motivo e per quelli già citati in precedenza, hanno determinato un vuoto, che non è visibile a occhio nudo né al controllo dei raggi X in fonderia.

Il caso pratico: una necessaria premessa
Il difetto in esame, riscontrato su un getto in HPDC, prodotto in lega standard AlSi9Cu3Fe, si evidenzia anche a occhio nudo e si palesa nella prossimità di una borchia, la quale già precedentemente presentava problemi di porosità da idrogeno, ben localizzata e naturalmente presente su tutti i getti (probabilmente per via di una errata progettazione dello stampo, delle colate, delle nervature, o per altri motivi ancora), risolto parzialmente con l’utilizzo di un semplice sistema squeeze, ovviamente allo scopo di compattare, in tale zona, riducendo il difetto e/o azzerarlo del tutto.

L’obiettivo della failure analysis e risultati attesi dal committente
Lo scopo dell’indagine metallurgica, resa  necessaria e anzi indispensabile per ottenere una pronta risoluzione del problema sui getti pressocolati, che non sarebbero accettabili con il difetto in esame, poiché caratterizzati da una zona con un possibile o, meglio ancora, un altamente probabile innesco di cricche, proprio all’interno della borchia, che successivamente viene filettata.
Il primo passo della failure analysis in esame è stato quello di verificare e di individuare la natura del difetto rilevato visivamente e agli esami con raggi X dagli addetti al controllo qualità in produzione. Si è quindi proceduto dapprima all’analisi compiuta su di un campione che presentava il difetto, ma che non forniva sufficienti informazioni in merito alla 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.

Descrizione del lavoro
Il difetto, che non sempre risulta visibile a occhio nudo su quattro o cinque fra i getti esaminati , si presentava in prossimità della  zona squeeze e non solo di essa, ma anche vicino a una zona diametralmente opposta, con dei probabili fenomeni di probabili ritiro/porosità macro o altro ancora. E per queste ragioni si è resa indispensabile l’analisi della failure attraverso alcuni esami macro e micrografici.
Ne sono scaturiti dunque 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 sulla pressa (nonché sullo squeeze).
La parte di getto esaminata, quella cioè contenente il difetto, è stata sezionata longitudinalmente in tre parti (tre sezioni longitudinali, successivamente sezionate trasversalmente, per determinare con la maggiore accuratezza possibile le dimensioni reali e l’effettiva estensione del difetto).

Interpretazione e risultati dell’esame metallurgico, Macrografico
Il difetto giunge fino alla borchia e, come si avrà modo di constatare più avanti, investe la borchia stessa per quasi tutta la sua profondità. Dalle macro si nota anche il difetto sul piano squeeze, che ha forma circolare, con in netta evidenza l’impronta della circonferenza dello stesso, dopo aver eseguito macro-attacco con HF, cioè dell’acido fluoridrico diluito, per pochi secondi.

Interpretazione e risultati dell’esame metallurgico, Micrografico
Le sezioni trasversali/longitudinali evidenziano la differente struttura di solidificazione tra le due semi-sezioni della sezione numero 1; e in particolare sul piano ove agisce il sistema di compattamento squeeze, la struttura  di solidificazione è finissima, indice questo di una velocità di solidificazione spinta (struttura a grani finissimi, rilevabili a 40x nella macro cricca da ritiro, con delle dendriti all’interno, finissime, indice cioè di una elevata pressione di iniezione dello squeeze medesimo).
Sul piano diametrale, opposto al piano dello squeeze, la struttura è quella tipica di una lega di alluminio da fonderia secondaria, in condizioni normali di lavoro, in processo HPDC (con una struttura grossolana e grani grossi, classici per la lega presa in questa sede in esame).
Il difetto si evidenzia in una netta e differente struttura di solidificazione tra la zona interessata dal compattamento con il sistema squeeze e il contorno.
Già dopo meno di 2 millimetri di profondità longitudinale, la struttura diventa quella classica, ovviamente comparata con quella interna alla zona di solidificazione “da squeeze”, sostanzialmente anomala.

Le conclusioni e le soluzioni consigliate
Dall’interpretazione scaturita dagli esami che sono stati in questa sede realizzati, dal feedback che è derivato dalle immagini macro-grafiche e micro-grafiche che sono state eseguite, è possibile adesso concludere che la causa del difetto è stata generata da parametri pressori del sistema squeeze (standard, ovvero di comune utilizzo in HPDC) non corretti, nonché inoltre a causa della differente velocità di solidificazione nelle diverse zone adiacenti al difetto. Questo ne impedisce la corretta compattazione con la struttura adiacente e circostante l’area sottoposta allo stesso sistema squeeze.

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