Danneggiamenti Prodotti da Fonderia (Getti)

Le procedure d’indagine e le precauzioni di carattere generale tipiche della failure analysis si applicano normalmente alla diagnosi dei difetti dei getti (prodotti ottenuti direttamente per solidificazione di metallo o leghe in forme definite), con piccole correzioni, dove necessario. Per esempio per la macrografia si dovrebbero evitare attacchi troppo spinti, talvolta usati per meglio contrastare alcuni aspetti della macrostruttura, come la struttura primaria del grezzo di colata, perché non rivelano alcuna caratteristica addizionale e possono generare una forte corrosione crateriforme o localizzata, che dà l’illusione della presenza di porosità. La lucidatura e polimentazione spinte e un attacco macrografico debole rivelano molto meglio le caratteristiche della struttura del getto senza creare false indicazioni. Alcune tecniche radiografiche possono essere usate con successo per la diagnosi dei difetti nei getti e risultano molto più efficaci rispetto a quelle applicate ai metalli deformati plasticamente, perché i difetti dei getti sono tridimensionali con maggiore probabilità. I difetti che portano allo scarto dei getti al collaudo, durante le lavorazioni meccaniche di finitura o per avaria in esercizio, sono classificabili in:

  1. difetti tipici della fonderia;
  2. difetti dovuti ad altre cause.

I primi sono a loro volta suddividibili in:

  • difetti superficiali;
  • difetti interni.

I secondi sono a loro volta suddividibili in:

  • difetti della microstruttura;
  • difetti di composizione chimica;
  • difetti di trattamento termico;
  • difetti dovuti a condizioni di sovraccarico e concentrazione di sforzi;
  • difetti d’esercizio, comprese le condizioni ambientali.

DIFETTI TIPICI DELLA FONDERIA

Danneggiamento Prodotti da Fonderia (Getti)

Difetti superficiali

I difetti superficiali più pericolosi sono quelli di natura lineare o che possiedono un forte effetto d’intaglio. Alcuni esempi sono: le riprese di colata e le saldature, le lacerazioni o cricche a caldo e cricche a freddo, le porosità o cavità da ritiro, le porosità superficiali e le inclusioni. Alcune discontinuità, che rendono scadente l’aspetto del getto, ma che raramente innescano fratture, sono per esempio: il getto incompleto e le zone mancanti, le gocce fredde, le aderenze e le deformazioni o svergolamenti. Le riprese di colata e le saldature sono difetti che si possono verificare in tutti i tipi di getti, indipendentemente dal metallo e dalle procedure di colata. Si generano quando in una certa zona del getto il metallo solidifica prima che la forma sia completamente riempita. Il metallo liquido che raggiunge la superficie già solidificata, cui si risalda, forma una discontinuità detta appunto ripresa o saldatura di colata. Entrambi i difetti possono avvenire anche quando due flussi di metallo fuso, provenienti da direzioni diverse s’incontrano, ma non si mescolano completamente. Così generano un’interfaccia solida debole, che può favorire l’innesco della frattura. Nella macrografia di figura 1 è illustrata una ripresa in un getto d’alluminio.

Figura 1. Ripresa di colata in un getto di lega AlSi7 colato in sabbia. Attacco FeCl3 – 7,5 x

Le lacerazioni o cricche a caldo sono rotture che si formano nei getti durante la solidificazione del metallo per contrazione impedita. Le lacerazioni o le cricche a caldo avvengono per la stessa ragione, così la distinzione tra i due tipi di difetti è solo una questione di severità. Le cricche sono spesso generate sulle superfici esterne, presso i raccordi delle flange o delle nervature, dove la contrazione del getto è impedita dalla forma o dallo stampo. I getti contenenti fratture o cricche a caldo possono essere riparati o scartati, secondo la dimensione e posizione del difetto e la saldabilità della lega. Se le lacerazioni e le cricche a caldo sfuggono al controllo e sono presenti nei getti messi in servizio, possono facilmente portare alla rottura del getto. Le cricche a freddo avvengono dopo che il getto si è solidificato e raffreddato. Possono essere molto diverse per morfologia e giacitura. Spesso sono generate da cicli di fabbricazione mal condotti, da urti esterni, da shock termici durante il raffreddamento in staffa o durante i trattamenti termici finali. Può essere difficile rilevare queste cricche senza l’aiuto d’opportuni esami non distruttivi (MT, particelle magnetiche, e PT, liquidi penetranti). Secondo il costo e la saldabilità del getto, le cricche a freddo possono essere riparate mediante solcatura (lavorazione meccanica mirata ad eliminare completamente il difetto e preparare il cianfrino) e saldatura, a meno che siano così grandi o estese da dover scartare il getto. Cricche a freddo si possono formare in prossimità di difetti del getto e propagarsi in esercizio fino alla rottura del getto, come nel caso illustrato in figura 2.

A

B

C

Figura 2. A) Superficie di frattura trasversale di una barra stabilizzatrice per autocarro d’acciaio per getti ASTM A148 grado 105-85. 0,3 x circa, rotta per la presenza di porosità circondate da macroinclusioni, che hanno generato una crica in esercizio. B) Particolare della frattura della figura precedente con indicate le aree d’origine della cricca (B) e di propagazione della frattura (C, D ed E). 1,5 x circa. C) Inclusioni di ossidi nei dintorni delle cavità di ritiro interne dell’area (B) della figura centrale. Nessun attacco. 100 x.

Cavità superficiali contenenti sabbia talvolta si formano nei getti d’acciaio e di ghisa colati in sabbia o terra. Generalmente queste imperfezioni sono piccole e sono rimosse tramite la sabbiatura, cui i getti sono di solito sottoposti. Si può anche usare il decapaggio in alternativa alla sabbiatura, ma bisogna esser certi che l’idrogeno assorbito non danneggi i getti. La sabbiatura può mascherare le cavità contenenti sabbia, richiudendo la superficie. Le cavità superficiali piccole non sono generalmente difetti importanti e sono tollerate, purché non giacciano in posizioni altamente sollecitate.

Le soffiature sono cavità tondeggianti, sferiche o appiattite e longilinee. Sono generate dai gas della colata, che non trovano sfogo verso l’esterno. I gas possono provenire dal metallo per diminuita solubilità nel passaggio di stato liquido-solido, da reazioni metallo-forma, o dall’aria trascinata dalla turbolenza del metallo che riempie la forma. Le pareti delle soffiature sono spesso lucenti e talvolta colorate dal blu cupo al bianco argenteo metallico. Le soffiature dovute a mancanza di sfogo dei gas dalla forma si trovano raramente nella parte inferiore del getto. Talvolta i gas danno dolci depressioni sui fianchi o sulla parete superiore del getto, oppure una serie di depressioni irregolari e frastagliate nella parte superiore.

Le porosità sono generate dal vapore, che si libera dalla forma di terra umida, o dai gas sciolti nel metallo liquido, che si liberano durante la solidificazione del getto. Sono spesso accompagnate da inclusioni di scoria trascinata dal flusso di metallo (esogene), o generate dal metallo che si raffredda e solidifica (endogene) nella forma. Possono essere superficiali o interne e assumono contorni interdendritici. Spesso assomigliano alle cavità da ritiro o ai risucchi, soprattutto quando si collocano al centro delle pareti o nei baricentri termici del getto (ultime zone a solidificare). Se superficiali possono essere asportate tramite sabbiatura o molatura. La loro gravità va valutata prima di scartare il getto. Le punte di spillo (pin holes) sono piccoli fori della dimensione di una punta di spillo, ma talvolta assai penetranti, che costellano determinate superfici del getto. Esse sono dovute principalmente all’insufficiente essiccazione della forma, con sviluppo di vapore durante il contatto col metallo fuso. Talvolta sono collegate con soffiature sub corticali importanti. Possono pregiudicare la durata del getto o essere un solo fatto estetico che rende brutta la superficie del getto. Se sono numerose e non sono opportunamente chiuse con stuccatura e verniciatura possono accelerare la corrosione del getto in servizio. In figura 3 è illustrato un classico difetto “punte di spillo”.

Figura 3. Punte di spillo generate da eccessiva umidità della terra.

Le bolle o vesciche (blisters) sono soffiature superficiali piatte, generalmente ricoperte da una sottile lamina di metallo. Si eliminano con la molatura o la sabbiatura. Di solito son difetti estetici, che tuttavia possono diventare critici se cadono in zone critiche del getto.

Le erosioni sono asportazioni locali della terra o sabbia della forma o dell’anima, d’insufficiente coesione, generate dal metallo che scorre sulla loro superficie, o dai gas caldi, costretti a trafilare a gran velocità nei passaggi obbligati. Danno luogo a rugosità e protuberanze metalliche. La sabbia erosa può essere trascinata in altre parti del getto e generare inclusioni esogene.

I tacconi sono erosioni che si formano quando il metallo ribolle o si agita vigorosamente, lasciando nella zona tormentata una protuberanza di metallo spesso mista a sabbia. Di solito la sabbia asportata va a finire nella parte superiore del getto, dove si presenta come inclusioni o cavità macroscopiche riempite di sabbia.

I falsi tacconi o scatole sono strati di metallo di piccolo spessore, parzialmente separati dalla superficie del getto da un sottile strato di sabbia e tenuti in loco da un’esigua lingua di metallo unita al getto. Sono facilmente eliminabili con scalpellatura; allora presentano un attacco dentellato, che può assumere l’aspetto di una fibbia, se breve e rettilineo, o di una coda di topo, quando è lungo, sottile e tortuoso (figura 4).

Figura 4. Esempi di falsi tacconi. A sinistra, falso taccone a fibbia; a destra, falso taccone a coda di topo.

Il getto incompleto e la mancanza si nota con facilità, pertanto sono difetti normalmente esaminati in modo approfondito dalla fonderia, che decide se siano o no accettabili, previo accordo col cliente. Dunque è raro mettere in servizio getti incompleti o con severe mancanze ed è rara l’avaria di quelli accettati e messi in servizio. Ovviamente sono causa di rifiuto dei getti il cui aspetto estetico è di primaria importanza. Se l’incompletezza non è severa, generalmente non genera problemi in esercizio. Un esempio di getto incompleto per temperatura di colata troppo bassa è riportato in figura 5.

Figura 5. Getto incompleto per temperatura di colata troppo bassa

Le gocce fredde sono gocce di metallo solidificato rapidamente e poi inglobato nel getto, ma non amalgamato e quindi di struttura diversa da quella della matrice. Sono generate dall’eccessiva turbolenza o ribollitura del metallo durante la colata o da soffiature di varia origine. Normalmente peggiorano l’aspetto delle superfici se affioranti, e la lavorabilità del metallo, in quanto punti duri. In particolari condizioni possono favorire la corrosione e anche l’innesco di fratture di fatica, perché possono essere severi concentratori di sforzi. Un esempio di goccia fredda rilevato dall’esame micrografico in un getto in lega d’alluminio AlSi10Mg, colato in conchiglia è illustrato in figura 6.

Figura 6. Goccia fredda in un getto in lega AlSi10Mg, colato in conchiglia. Attacco HF 0,5 %. 250 x.

Gli schiacciamenti o cedimenti della forma o delle anime sono la conseguenza di spostamenti di parti della forma o delle anime e portano a mancanze o riduzioni di spessore e formazione di linee irregolari nel getto. Se gravi sono causa di scarto dei getti.

Le cadute di terra (figura 10), dipendono dal distacco di zolle di terra dalla parte superiore della forma e anche da parti sporgenti o comunque sopraelevate della forma inferiore. Dipendono da insufficiente coesione della terra da fonderia e provocano lo scarto del getto, soprattutto per mancanza di metallo dove la terra s’accumula e per l’inevitabile presenza di molte inclusioni di terra e sabbia.

I difetti d’aderenza dipendono dal danneggiamento della forma per eccessiva aderenza della terra al modello. Lasciano protuberanze indesiderate sul getto.

L’aspetto grossolano della superficie, generalmente estetico, si nota quando la superficie appare più ruvida o rugosa di quella che normalmente ci si attende dalla normale finitura della forma di terra o sabbia. Spesso è definito “pelle d’arancia”. Dipende generalmente dalla cattiva finitura superficiale del modello, dalla cattiva preparazione della terra o sabbia e/o dalle operazioni di formatura.

Le penetrazioni sono difetti superficiali dovuti all’infiltrazione del metallo molto fluido nelle porosità della sabbia, che non è asportata. Lasciano protuberanze di metallo misto a sabbia, che devono essere asportate con molatura o lavorazioni meccaniche (figura 7). Dipendono soprattutto dall’eccessiva temperatura di colata e dalle modalità di stampaggio delle anime o delle forme.

Figura 7. A sinistra: esempio di penetrazione (zona scura e porosa) in un grande carter di ghisa, dovuta a un’anima stampata troppo molle. 0,5 x circa. A destra: la sezione ortogonale del difetto mostra il metallo e la sabbia mescolati, inconfondibile caratteristica della penetrazione. Nessun attacco. 10 x.

La vetrificazione è un difetto superficiale avviene quando la superficie del getto mostra un aspetto grossolanamente vetroso, dovuto alla fusione più o meno completa della sabbia della forma o dell’anima a contatto col metallo fuso. Dipende dalla bassa refrattarietà della sabbia della forma o dell’anima.

Il forzamento è un aumento dello spessore dovuto a cedimento della forma sotto la pressione metallostatica.

Le bave sono strati più o meno sottili di metallo dovuti a penetrazione del metallo liquido in qualche fessura della forma o dell’anima.

I cedimenti sono diminuzioni di spessore del getto dovuti all’incurvamento della staffa superiore sull’inferiore o alla rottura di parte della motta che può essere sollevata dal metallo e può modificare completamente la forma del getto.

In figura 8 sono illustrati esempi di forzamento, bava e cedimento.

Figura 8. A sinistra: getto d’acciaio colato in sabbia a verde compattata a mano che ha ceduto per la pressione metallostatica, generando il forzamento (rigonfiamento). Al centro: bava formata in un collettore di ghisa. A destra: Cappello flangiato di ghisa colata a verde, sano (sopra) e difettoso (sotto). La motta di sabbia a verde si è fessurata durante la sformatura del modello ed è stata sollevata dal metallo liquido modificando completamente la forma del getto.

Lo spostamento (figura 9) si verifica quando le due mezze staffe sono montate invertite perciò il getto non riproduce il modello. Lo spostamento può dipendere anche dal posizionamento non corretto dell’anima, per esempio fuori mezzeria o montata invertita. Gli spostamenti comportano inevitabilmente lo scarto dei getti.

Danneggiamenti Prodotti da Fonderia

Figura 9. A sinistra: esempio di spostamento dovuto al montaggio invertito della staffa superiore. A destra: esempio di spostamento dovuto a un urto violento che ha fatto slittare il modello nella staffa superiore.

La fuga di metallo dalle forme può dar luogo a getti incompleti, porosi o ruvidi per mancanza di carico metallostatico o d’alimentazione. È dovuto alla perdita di metallo attraverso qualche apertura della forma, durante o subito dopo la colata.

Difetti interni

I tre tipi fondamentali di discontinuità interne dei getti sono:

  • le cavità da ritiro, macro e micro;
  • le porosità da gas;
  • le inclusioni.

Le cavità da ritiro, piccole o grandi che siano (figura 10), dipendono dalla contrazione che accompagna la trasformazione liquido – solido e dall’insufficiente alimentazione del getto nelle zone che solidificano per ultime, come il centro delle pareti di maggior spessore. Secondo i casi, le porosità da ritiro nei getti si definiscono:

  • micro o macro porosità diffusa, che nelle sezioni macrografiche si evidenzia con numerosissime piccole cavità dai contorni irregolari, tendenzialmente lobati, interdendritici;
  • cavità macroscopiche interne, che sono come veri e propri coni di ritiro secondari nei baricentri termici del getto o locali;
  • risucchi, che sono cavità, dalle pareti interne scabre o spugnose, rivestite da dendriti;
  • ricali o depressioni, che sono forme particolari di risucchi, cioè depressioni delle superfici dovute all’allontanamento del metallo dalla superficie della forma superiore per ritiro o contrazione del metallo durante la solidificazione;
  • getti incompleti.

A

C

B

D

Figura 10. A) Esempio di macroporosità da ritiro diffusa osservata nella sezione di una puleggia in lega d’alluminio colata in sabbia. Nessun attacco. 0,6 x circa. B) Esempio di macrocavità da ritiro interna osservata in un getto di lega d’alluminio con eccessiva variazione di spessore e non adeguatamente alimentato. Attacco triacido. 0,5 x circa. C) Esempio di risucchio in una puleggia d’acciaio dovuta a cattivo sistema d’alimentazione ed assenza di montante. D) Dendriti accresciute in un risucchio di un getto di ghisa. 200 x circa.

Le soffiature, che si generano per lo sviluppo o per la presenza di gas durante la solidificazione dei getti e che non possono uscire dalla forma tramite gli opportuni sfiati o attraverso la permeabilità della sabbia, dipendono da molti fattori, fra cui le operazioni di preparazione del metallo liquido e di colata e il tipo di forma (terra o sabbia a verde o essiccata) o stampo/conchiglia usato. Possono essere cosa da poco e rare, perciò tollerabili, o molto gravi e/o diffuse e perciò intollerabili e causa di scarto del getto. Si possono suddividere in:

  • soffiature da gas
  • soffiature da vapore
  • soffiature d’aria (figura 11)

Figura 11. Soffiature d’aria intrappolata durante la solidificazione in un getto d’alluminio pressofuso.

Nella maggior parte dei casi, le inclusioni, le impurezze e le scorie (figura 12) sono tutte particelle non metalliche che si possono trovare nella massa metallica del getto, variamente distribuite. Talvolta possono essere anche inclusioni di metalli diversi come per esempio particelle di rame nella ghisa per insufficiente solubilizzazione della granella aggiunta per alligazione alla fine dell’elaborazione del bagno. Se sono superficiali, possono essere rimosse durante la sbavatura e la sabbiatura, lasciando generalmente visibili le rispettive cavità. Le inclusioni di sabbia e nero fumo possono essere generate da erosione di qualche parte della forma, compresi i canali di colata.

Figura 12. Esempio di macroinclusione d’allumina frastagliata, associata a filamenti di panno d’allumina, proveniente dall’ossidazione prolungata del bagno. Nessun attacco. 13 x.

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