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Corpi di Ottone Criccati

Corpi di Ottone Criccati. Alcuni corpi stampati a caldo in ottone CW617N UNI EN 12420, lavorati alle macchine utensili e montati, quali raccordi ad alta pressione (250 bar), risultarono criccati, per cui tre furono consegnati al Laboratorio per la diagnosi di difetto, insieme a tre solo brocciati, ma non ulteriormente lavorati né usati.

Le informazioni sui corpi, trasmesse dal cliente, riguardavano il solo ciclo di lavorazione e precisamente:

  • stampaggio a caldo di un tronchetto di barra d’ottone CW617N;
  • brocciatura di spianatura della superficie destinata alla marcatura;
  • lavorazione meccanica dello stampato per ottenere il pezzo a disegno;
  • trattamento termico di distensione a 250 °C per alcune ore;
  • marcatura;
  • imballaggio e spedizione al cliente utilizzatore.
giacitura-della-cricca

Giacitura della cricca e indicazione della sezione longitudinale simmetrica, secante ortogonalmente la cricca, eseguita per gli esami macro e micrografici. 1,7 x circa.

Corpi di Ottone Criccati

Il cliente finale s’accorse di alcuni pezzi criccati, ma non riferì quando furono evidenziati i difetti, cioè se prima, durante o dopo il montaggio o dopo la messa in servizio.

Dichiarò che il montaggio non fu eseguito con chiavi dinamometriche per il controllo la coppia di serraggio.

Il Laboratorio pianificò le seguenti prove ed esami necessari per indagare sulle probabili cause del difetto:

  • analisi chimica e prove di durezza;
  • controllo con liquidi penetranti dei semilavorati solo brocciati;
  • esami macroscopici e macrografici dei pezzi criccati e solo brocciati
  • esami micro frattografici in microscopia elettronica a scansione (SEM) dei corpi criccati,
  • microanalisi EDS con microsonda al microscopio elettronico a scansione dei corpi criccati;
  • esami micrografici dei corpi criccati e solo brocciati.

L’analisi chimica dimostrò che i pezzi furono colati con ottone conforme al richiesto (CW617N UNI EN 12420), di corretta composizione.

Anche la durezza dei componenti, pari a 111 – 112 – 113 – 114 HBW2,5/62,5, risultò normale per questa lega.

Il controllo con liquidi penetranti dei 3 corpi stampati e solo brocciati non evidenziò alcun difetto superficiale, anche al margine della zona brocciata dove si manifestarono le cricche nei tre lavorati a disegno, consegnati e montati sui pacchi bombola.

Gli esami macroscopici e frattografico dei tre pezzi evidenziarono una cricca nella medesima posizione, lungo il lato corto del piano brocciato.

L’esame della superficie della cricca di un pezzo, opportunamente sezionato e forzato per aprirla, evidenziò palese ossidazione (colore scuro) per tutta la sua estensione (3÷4 mm), salvo una sottilissima fascia presso la superficie esterna, e una grana fine, omogenea e priva di macro difetti nella parte rotta per forzatura. Dopo un leggero decapaggio la colorazione della superficie della cricca si modificò in roseo-bruna suggerendo una probabile incipiente dezincificazione.

superficie-della-frattura-ossidata

Superficie della frattura ossidata. 3 x circa. A destra: colore roseo bruno della superficie di frattura dopo leggero decapaggio. 2,5 x circa.

Corpi di Ottone Criccati

L’esame macrografico della sezione longitudinale simmetrica del corpo secante trasversalmente la cricca, evidenziò ovunque una struttura fine, omogenea e priva di anomalie metallurgiche macroscopiche o di difetti di stampaggio anche nei pressi della cricca.

La cricca partiva al centro del raccordo e probabilmente in coincidenza di un segno della tranciatura della bava.

segni-di-tranciatura

Nessun apprezzabile macro difetto nei pressi della cricca, che giace al centro del raccordo in linea con segni di tranciatura della bava. Attacco HNO3 10 %. 3 x circa.

Corpi di Ottone Criccati

morfologia-della-frattura

A sinistra: morfologia della frattura per coalescenza di microvuoti (duttile) nel primo strato corticale o d’innesco e nella parte di propagazione indotta volontariamente per aprire la cricca. 650 x circa. A destra: morfologia della frattura intergranulare (fragile) nella zona di propagazione ossidata. 1000 x circa.

Corpi di Ottone Criccati

L’esame in microscopia elettronica a scansione (SEM) della superficie della frattura evidenziò coalescenza di microvuoti nel primo strato corticale (zona d’innesco), tipico della frattura duttile (tenace) per sovraccarico. La stesa morfologia della frattura duttile da sovraccarico si osservò nella zona di propagazione indotta volontariamente per aprire la cricca.

Invece, nella zona di propagazione (resto della frattura ossidata), mostrò una morfologia tipicamente intergranulare (fragile), probabilmente favorita da fenomeni di tensocorrosione e/o dezincificazione.

La microanalisi elettronica EDS di una porzione della superficie di frattura non decapata, eseguita per verificare l’eventuale la presenza di residui di sostanze chimiche aggressive per l’ottone, rivelò (figura 5 con tabulato EDS:

  • nel primo strato corticale (zona d’innesco della frattura), la presenza di rame (Cu), zinco (Zn) e piombo (Pb), elementi contenuti nella lega e tracce di carbonio (C) e ossigeno (O). La percentuale di piombo (Pb), valutata semi quantitativamente, risultò particolarmente elevata (~ 19 % contro il 2 % nominale), ma ciò fu attribuito al tipo di frattura (coalescenza di microvuoti), che espone le particelle di piombo insolubili, innalzando la sua concentrazione apparente;
  • nella zona di propagazione con morfologia intergranulare, la presenza degli stessi elementi di lega, ma più alta concentrazione di C e O, quasi normale concentrazione di piombo, e tracce di elementi inquinanti, quali alluminio (Al), silicio (Si) e calcio (Ca).  Da notare l’elevato rapporto Zn/Cu, riconducibile a un deposito d’ossido di zinco sulla superficie della frattura d’aspetto ossidato.
risultati-della-microanalisi

Aree della frattura analizzate con microsonda elettronica. 22 x circa. A destra: risultati della microanalisi semi quantitativa EDS.

Corpi di Ottone Criccati

Gli esami micrografici di sezioni longitudinali simmetriche, secanti ortogonalmente il lato corto del piano brocciato di un pezzo semilavorato e un pezzo finito a disegno, usato e criccato, evidenziarono rispettivamente:

  • nessuna cricca nel componente semilavorato, a conferma degli esami precedenti; presenza di uno strato corticale, profondo 0,2 mm circa, molto reattivo all’attacco metallografico riconducibile a deformazione plastica a freddo (incrudimento nella zona dove si trovarono le cricche nei corpi finiti e usati e un analogo strato, più sottile (0,05 mm circa), lungo tutto il bordo della superficie brocciata microstruttura bifasica (alfa+beta), con fase alfa aciculare (chiara) equiassica;
  • presenza di una cricca nel pezzo finito e usato, di morfologia intergranulare, profonda 1,2 mm circa, perpendicolare alla superficie e con apice molto sottile, tipica delle fratture tensionali; assenza di difetti microstrutturali; struttura bifasica (alfa+beta), con grani di fase alfa tondeggianti e tendenzialmente allineati in direzione della stiratura da stampaggio.
sezione-longitudinale-microstruttura-bifasica

Sezione longitudinale simmetrica di un corpo solo brocciato e non criccato. Zona al bordo del piano brocciato. Nessuna evidenza di cricche, ma presenza di uno strato incrudito assai reattivo. Attacco FeCl3. 20 x circa. A destra: microstruttura bifasica della lega e leggero strato incrudito al bordo della superficie brocciata. Attacco FeCl3. 200 x circa.

Corpi di Ottone Criccati

microstruttura-bifasica-con-grani-alfa

Sezione longitudinale simmetrica di un pezzo finito, usato e criccato. Zona al bordo del piano brocciato con cricca principale, intergranulare, aperta in superficie e molto sottile e ramificata all’apice, profonda 1,20 mm circa; presenza di una cricca secondaria appena innescata; A sinistra: nessun attacco 50 x circa. A destra: presenza di uno strato superficiale assai reattivo; microstruttura bifasica con grani alfa tondeggianti e allineati nella direzione della stiratura da stampaggio. Attacco FeCl3. 50 x circa.

Corpi di Ottone Criccati

Conclusioni

I componenti esaminati furono fabbricati con ottone CW617N UNI EN 12420 di corretta composizione chimica; furono stampati correttamente senza introdurre difetti correlabili con le cricche successivamente formatesi durante o dopo il montaggio.

In tutti i pezzi criccati, la cricca si formò sempre nella stessa posizione, in corrispondenza di una sezione relativamente ridotta del pezzo, al margine del lato corto del piano brocciato, con innesco duttile da sovraccarico (coalescenza di microvuoti) e propagazione fragile intergranulare, probabilmente favorita da fenomeni di tensocorrosione e/o incipiente dezincificazione.

Va rilevato che la fascia corticale dei pezzi solo brocciati e finiti e criccati risultò alquanto reattiva all’attacco micrografico a dimostrazione di uno stato incrudito residuo, non sufficientemente disteso col trattamento eseguito a 250 °C per alcune ore.

L’assenza di difetti di stampaggio e di discontinuità superficiali importanti nei corpi solo brocciati esclude che lo stampaggio, la tranciatura di sbavatura e la brocciatura possano essere responsabili dell’attuale insuccesso, che fu dunque attribuito all’eccessivo serraggio dei componenti durante il montaggio, generando uno stato tensionale che unito a quello corticale da incrudimento insufficientemente disteso, fu sufficiente per l’innesco delle cricche, che poi si propagarono favorite dalla tensocorrosione e/o dezincificazione.

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