QUALITÀ G. Tordi (Università di Bologna), E. Flamigni (SCM Fonderie srl) Correlazione tra i parametri termici dell’eutettoide nella ghisa sferoidale e le proprietà meccaniche IL CONTROLLO DEL PROCESSO DI SOLIDIFICAZIONE DELLA GHISA MEDIANTE ACQUISIZIONE DELLE CURVE DI SOLIDIFICAZIONE È UNA PRATICA COMUNEMENTE UTILIZZATA NEI REPARTI DI PRODUZIONE E PERMETTE DI RICAVARE I PARAMETRI TERMICI DELL’EUTETTICO PER CORRELARLI IN SEGUITO CON LA MICROSTRUTTURA DELLA GRAFITE. SI PUÒ IPOTIZZARE ANCHE L’ESISTENZA DI UNA CORRELAZIONE TRA I PARAMETRICI TERMICI DELL’EUTETTOIDE E LA STRUTTURA DELLA MATRICE E DUNQUE LE CARATTERISTICHE MECCANICHE DEL MATERIALE; SE L’IPOTESI FOSSE VERIFICATA, CONTINUANDO CON L’ACQUISIZIONE DEL SEGNALE DURANTE L’ANALISI TERMICA, RISULTEREBBE POSSIBILE PREVEDERE EVENTUALI DIFETTI DEL MATERIALE QUANDO QUESTO È ANCORA ALLA TEMPERATURA DI 700°C. di produzione della fonderia sono state effettuate 19 colate di ghisa sferoidale prodotta in un forno rotativo addizionando in ciascuna siviera le dosi prestabilite Z X Z Y Y 7m m 19 mm Per semplicità è stata valutata la veridicità dell’ipotesi solo per la ghisa di tipo sferoidale. Durante il quotidiano processo 50mm Sample Casting 17 mm mm (a) (b) FONDERIA nov em b re 2017 Mold Material 40mm Thermocouple Position 23 Procedura sperimentale Figura 2.1 - (a) Quarto di sezione della coppetta utilizzata per acquisire le curve di temperatura; (b) Sezione della forma in sabbia su cui è riportato il taglio effettuato sul saggio per la realizzazione dello spezzone 15mm I l fenomeno descritto è stato oggetto di studio presso la fonderia di Villa Verucchio (RN) del gruppo SCM e di una tesi di laurea triennale in complementi di tecnologia meccanica presso il dipartimento di ingegneria industriale dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto consiste nella raccolta di provini differenti di ghisa sferoidale in modo da ottenere più di un campione per ogni grado di classificazione secondo la UNI EN 1536. Per ogni campione raccolto sono stati acquisiti i dati relativi all’analisi termica e alla composizione chimica, le immagini relative all’analisi metallografiche e infine le caratteristiche meccaniche. I dati ottenuti sono stati utilizzati per la costruzione di modelli matematici con lo scopo di verificare l’ipotesi iniziale. 45 QUALITÀ FONDERIA nov em b re 2017 TABELLA 3.1 - DATI RISCONTRATI MEDIANTE ANALISI CHIMICA REALIZZATA AL QUANTOMETRO 46 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mg Sn CE 1 3,628 1,812 0,183 0,033 0,004 0,049 0,017 0,047 0,043 0,007 4,194 2 3,628 1,805 0,321 0,059 0,006 0,039 0,018 0,411 0,049 0,006 4,192 3 3,703 1,834 0,312 0,056 0,006 0,039 0,013 0,049 0,040 0,021 4,276 4 3,596 1,685 0,198 0,043 0,003 0,027 0,009 0,436 0,054 0,041 4,123 5 3,663 1,774 0,316 0,057 0,003 0,025 0,010 0,457 0,043 0,020 4,217 6 3,654 1,667 0,284 0,048 0,004 0,031 0,012 0,493 0,053 0,031 4,174 7 3,657 1,742 0,262 0,047 0,002 0,030 0,012 0,401 0,047 0,025 4,201 8 3,589 1,704 0,225 0,046 0,005 0,032 0,011 0,452 0,056 0,040 4,122 9 3,596 1,785 0,247 0,045 0,003 0,031 0,009 0,455 0,055 0,021 4,153 10 3,685 1,854 0,301 0,045 0,004 0,034 0,011 0,452 0,054 0,021 4,264 11 3,598 1,675 0,206 0,043 0,003 0,020 0,005 0,006 0,047 0,017 4,121 12 3,664 1,728 0,090 0,047 0,002 0,018 0,010 0,006 0,055 0,003 4,204 13 3,668 1,704 0,178 0,045 0,002 0,017 0,008 0,386 0,043 0,003 4,201 14 3,6850 1,6850 0,2540 0,0490 0,0022 0,0200 0,0050 0,3270 0,0510 0,007 4,2110 15 3,6950 1,6740 0,2980 0,0510 0,0030 0,0210 0,0050 0,4100 0,0470 0,041 4,2180 16 3,650 1,686 0,322 0,047 0,004 0,024 0,006 0,004 0,049 0,001 4,177 17 3,665 1,700 0,327 0,048 0,004 0,024 0,008 0,006 0,049 0,002 4,196 18 3,652 1,649 0,331 0,049 0,003 0,025 0,008 0,008 0,055 0,001 4,167 19 3,503 1,752 0,432 0,055 0,006 0,029 0,019 0,658 0,043 0,041 4,051 di inoculante (utilizzando una lega FeSi) e sferoidizzante (mediante filo in lega FeSiMg) con lo scopo di ricavare altrettanti campioni. Da ciascuna siviera è stato prelevato mediante un crogiolo una porzione di materiale fuso il quale è stato in parte versato in coppette standardizzate, raffigurate nella figura 2.1.a, con all’interno una termocoppia con lo scopo di acquisire i dati relativi alle curve di temperature; i dati prelevati sono stati elaborati tramite un software commerciale per il completamento dell’analisi termica di ogni campione. Parallelamente all’analisi termica è stata eseguita un’analisi chimica del materiale mediante quantometro. L’altra porzione di materiale che è stato prelevato dalle siviere è stato colato all’interno di forme in sabbia di uguale spessore per la realizzazione dei 19 provini utilizzati per le prove meccaniche e la metallografia da ogni forma in sabbia è stato prelevato un saggio in ghisa sferoidale, i quali sono stati tagliati mediante sega a nastro ad una distanza, quotata in figura TABELLA 3.2 - PARAMETRI TERMICI DELL’EU CAMPIONI TEutectoidMin[°C] TEutectoidMax[°C] RECeutectoid[°C] 1 715,27 721,41 6,13 2 703,85 715,43 11,58 3 713,23 724 11,25 4 706,08 715,70 9,62 5 708,62 716,55 7,93 6 712,50 719,15 6,63 7 708,53 718,09 9,56 8 703,69 716,41 12,71 9 701,34 711,32 9,99 10 702,29 716,05 13,76 11 706,27 716,38 10,10 12 712,56 718,66 5,10 13 703,61 713,24 9,63 14 705,80 716,65 10,86 15 710,14 718,36 8,22 16 709,19 717,63 8,45 17 709,77 717,34 7,57 18 712,33 717,90 5,66 19 697,10 707,65 10,55 Durezza Brinnell HB Resistenza a rottura [N/mm²] Resistenza allo snervamento [N/mm²] Allungamento % dopo rottura Grado di classificazione UNI EN 1536 1 138 400 279 16,7 400/15 2 220 770 429 5,4 700/2 500/7 PROVINO 3 152 598 305 8,6 4 220 695 370 5,7 600/3 5 197 692 364 5,4 600/3 6 212 676 357 5,0 600/3 7 212 676 383 4,6 600/3 8 178 695 357 6,6 600/3 9 184 689 383 4,4 600/3 10 204 676 370 4,6 500/3 11 142 390 273 5,3 400/15 12 130 383 292 19,3 400/18 13 162 630 435 6,3 500/3 14 190 663 416 3,7 600/3 15 197 689 383 4,4 600/3 16 126 422 273 13,7 400/15 17 134 429 292 13,7 400/15 18 142 429 292 15,3 400/15 19 190 682 429 4,8 600/3 TABELLA 3.4 - DATI RELATIVI ALLE ANALISI MICROGRAFICHE Forma Dimensione mm % Perlite-Ferrite % Perlite-Ferrite Attacco 1 V 0,0045±0,0015 20-80 2 K 2 V 0,0090±0,0030 95-5 6 P 3 V 0,0090±0,0030 80-20 5 P 4 V 0,0025±0,0008 80-20 5 N 5 V 0,0045±0,0015 60-40 4 N 6 V 0,0045±0,0015 80-20 5 N 7 V 0,0025±0,0008 95-5 6 N 8 V 0,0045±0,0015 95-5 6 P 9 V 0,0025±0,0008 95-5 6 N 10 V 0,0025±0,0008 80-20 5 N 2.1.b, di circa 50 mm dal fondo. Per ognuno dei 19 spezzoni è stata eseguita sulla superficie su cui è stato eseguito il taglio, in seguito ad un’opportuna levigatura, una prova di durezza Brinnell mediante un durometro portatile [5]. Una volta ottenuto il valore della durezza gli spezzoni sono stati inviati in officina per la realizzazione dei provini utilizzati per eseguire la prova di trazione; i provini da sottoporre a prova di trazione sono stati realizzati per lavorazione meccanica rispettando le geometrie richieste dalla normativa UNI EN 100021[6], in particolare il tratto utile presentava una lunghezza di 70 mm e la parte calibrata di 84 mm. Durante la prova di trazione sono state ricavate, per ogni provino, la resistenza a trazione, il carico di snervamento e l’allungamento percentuale. Dopo aver portato a rottura il provino è stato ricavato una piccola porzione di materiale la quale è stata inglobata in una resina polimerica per realizzare l’esame metallografico, ultima analisi eseguita sul materiale. Durante l’analisi, eseguita mediante un microscopio ottico invertito seguendo le direttive della EN ISO 945:1994 [7], sono state determinate in una prima fase le forme dei fiocchi di grafite osservate con un ingrandimento 100x, la distribuzione di questi ed infine i rapporti tra le varie fasi. Durante la seconda fase, con lo scopo di mettere in risalto la perlite o la ferrite, è stata attaccata la superficie utilizzando come reagente il Nital, il Picral oppure il Kalling con una durata dell’attacco variabile a seconda del reagente utilizzato. In seguito all’attacco chimico è stata osservata nuovamente la superficie di ogni provino con un ingrandimento di 100x per determinare la composizione microstrutturale del materiale. 11 V 0,0025±0,0008 40-60 3 N 12 VI 0,0045±0,0015 5-95 1 K 13 V 0,0025±0,0008 80-20 5 N 14 V 0,0045±0,0015 95-5 6 N Esposizione dei dati 15 V 0,0025±0,0008 95-5 6 N 16 V 0,0025±0,0008 20-80 2 N I primi dati raccolti sono relativi all’analisi chimica e all’analisi termica, le quali vengono compiute contemporaneamente. Nella tabella 3.1 sono esposti i dati relativi alla composizione chimica percentuale del materiale dei vari campioni, con l’aggiunta del 17 V 0,0045±0,0015 20-80 2 N 18 V 0,0045±0,0015 20-80 2 N 19 V 0,0025±0,0008 95-5 6 P FONDERIA nov em b re 2017 TABELLA 3.3 - ATI RELATIVI ALLE PROPRIETÀ MECCANICHE 47 QUALITÀ valore del carbonio equivalente. Alcuni elementi in percentuali inferiore allo 0.005 %, quali Mo,Ti, Al e Pb sono stati omessi. Nella tabella 3.2 sono esposti i parametri dell’intervallo di temperatura eutettoidico dei vari campioni di ghisa sferoidale; in particolare vengono registrate la temperatura minima e massima dell’intervallo di temperatura dell’eutettoide, indicati rispettivamente conTEutectoidMin e TEutectoidMax, e la recalescenza eutettoidica, indicata con RECeutectoid. In tabella 3.3 sono riportati i dati relativi alle proprietà meccaniche insieme al grado di classificazione secondo UNI EN 1536. Nella tabella 3.4 vengono esposti i dati relativi all’analisi metallografica effettuata sui campioni. In particolare si riporta la forma e la dimensione dei fiocchi di grafite classificati secondo le direttive della normativa EN ISO 945:1994 comparando le micrografie ottenute con le immagini consultabili sull’atlante metallografico, la percentuale della fase perlite e della fase ferrite (a cui si assegna un valore da 1 a 6 dei vari rapporti) e infine nell’ultima colonna il tipo di attacco utilizzato. Tra i vari campioni appartenenti agli stessi gradi di classificazione non sono state riscontrate sostanziali differenze morfologiche, la forma dei fiocchi è prevalentemente di tipo V, tipica della ghisa sferoidale. FONDERIA nov em b re 2017 Costruzione dei modelli 48 Durante il processo di solidificazione della ghisa sferoidale attraversando il punto eutettoidico si osserva che all’aumentare della recalescenza si manifesta un miglioramento delle caratteristiche meccaniche del materiale, inoltre all’aumentare della recalescenza si manifesta un aumento in percentuale della quantità di perlite. A livello microstrutturale una ghisa sferoidale con un’alta resistenza a rottura presenta una maggiore quantità di perlite rispetto alla ferrite, al contrario se presenta valori di duttilità relativamente alti si manifesta la prevalenza di ferrite. Per verificare l’accuratezza dell’ipotesi e l’entità del fenomeno osservato è stata eseguita un’analisi statistica TABELLA 4.1 - COEFFICIENTE DI CORRELAZIONE TRA I PARAMETRI ANALIZZATI r DT r TEuctMin r TEuctMax RT 0.5952369 -0.5582212 -0.3616567 RS 0.4934308 -0.6840103 -0.6007992 %AL -0.6797563 0.6401516 0.4165289 %PR 0.6681075 -0.6514494 -0.4398345 HB -0.286473 -0.4400325 -0.2998808 TABELLA 4.3 - VALORI DEI COEFFICIENTI DI DETERMINAZIONE R2 OTTENUTI DALLE CORRELAZIONI TRA LA RECALESCENZA E TUTTI I PARAMETRI DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE E MICROSTRUTTURALI; IL MODELLO POLINOMIALE DI SECONDO ORDINE FORNISCE LE PREVISIONI PIÙ AFFIDABILI R2 Lineare Logaritmica Polinomiale RT~DT 0.3543 0.3829 0.3920 RS~DT 0.2435 0.2714 0.3043 %AL~DT 0.4308 0.5148 0.6065 %P~DT 0.4464 0.4928 0.5284 HB~DT 0.0821 0.0118 0.0864 TABELLA 4.4 - COEFFICIENTE DI CORRELAZIONE E DI DETERMINAZIONE TRA LE TEMPERATURE MINIME E MASSIME DELL’INTERVALLO EUTETTOIDICO E I PARAMETRI RELATIVI ALLE CARATTERISTICHE MECCANICHE E MICROSTRUTTURALI R2 TEcutMin R2 TEcutMax RT 0.3116 0.1306 RS 0.4679 361 %AL 0.4098 0.1303 %P 0.4244 0.1935 HB 0.1936 0.0899 sui dati raccolti utilizzando il software R per realizzare i calcoli [9]; in primo luogo si è ricercata l’intensità della correlazione tra i vari parametri termici, meccanici e microstrutturali dei provini in analisi ed in seguito sono stai costruiti diversi modelli matematici tra i vari parametri realizzando regressioni lineari e più che lineari. Nella tabella 4.1 viene riportato il coefficiente di correlazione lineare di Bravis-Pearson, indicato con r, utilizzato per calcolare l’intensità di legame tra tutte le variabili in esame. Dopo avere verificato l’esistenza di relazioni più o meno intense tra i parametri in esame, sono state realizzate le regressioni per il calcolo delle varie proprietà meccaniche e microstrutturali a partire dai parametri termici; per ognuno dei modelli si riporta il valore del coefficiente di determinazione R2 e le rispettive funzioni Best-Fit che meglio descrivono il rispettivo modello matematico. Sono stati valutati tre modelli differenti: lineare, logaritmico e (a) RT~DT 800 (b) RS~DT 440 y = 4,1701x2 + 110,3x - 46,691 R2 = 0,392 600 330 400 220 200 110 y = -2,2392x2 + 52,963x - 65,505 R2 = 0,3043 (a) (b) 0 0 0 3,5 7 10,5 14 3,5 0 7 %AL~DT 14 %P~DT 20 6 (d) y = 0,0813x2 + 1,9944x - 6,7319 R2 = 0,5284 15 4,5 10 3 5 1,5 y = 0,3042x2 - 7,0175x + 44,865 R2 = 0,6065 (d) (c) 0 0 0 3,5 7 10,5 14 0 3,5 7 10,5 14 Figura 4.2 - (a) Resistenza a trazione in relazione alla recalescenza; (b) Carico a snervamento in relazione alla recalescenza; (c) Percentuale di allungamento in relazione alla recalescenza; (d) Percentuale di perlite in relazione alla recalescenza polinomiale di secondo ordine; in tutti i casi, esposti in tabella 4.3 si è riscontrato che quello polinomiale presenta i valori più alti del coefficiente di determinazione. Nelle figure 4.2 (a), (b), (c) e (d) sono rappresentati i grafici dei vari modelli costruiti; è stata tracciata la relativa funzione best-fit polinomiale. Di seguito sono trascritte le funzioni relative ai quattro modelli matematici RT = -4.1701DT2 + 110,3DT - 46.691 RS = -2.2392DT2+ 52.963DT + 65.505 %AL = 0.3042DT2 - 7.0175DT + 44.865 %P = -0.0814DT2+ 1.9944DT - 6.7319 Infine vengono esposti le relazioni dei parametri termici eutettoidici, ovvero la temperatura minima e massima, con i parametri meccanici e microstrutturali. In tabella 4.4 sono riportati i valori del coefficiente di correlazione r e il valore di R2 ottenuto eseguendo la regressione lineare. Discussione dei risultati e conclusione Da un punto di vista fisico si può ritenere, in prima approssimazione, che esista una correlazione diretta tra la recalescenza e la percentuale di perlite che si trasforma durante il passaggio di fase; infatti una ghisa completamente perlitica rispetto ad una ghisa completamente ferritica manifesta sempre un sottoraffreddamento maggiore, poiché la trasformazione della cementite in perlite sviluppa più calore latente rispetto alla trasformazione dell’austenite in ferrite. Per esempio nella figura 5.1 è raffigurata l’immagine ottenuta dalla micrografia del campione 1, il quale ha raggiunto un valore della recalescenza di 6.13 °C, nella quale si nota l’assenza quasi totale di perlite. Nella figura 5.2 invece è raffigurata l’immagine della micrografia del campione 3, la cui recalescenza vale 11.25°C, si nota la bassa quantità in percentuale della fase di ferrite nucleata solamente attorno ai fiocchi di grafite. [10,11,12] Se il fenomeno fosse descrivibile con FONDERIA nov em b re 2017 (c) 10,5 49 FONDERIA nov em b re 2017 QUALITÀ precisione una volta noto il valore della recalescenza eutettoidica risulterebbe calcolabile il valore della quantità percentuale di perlite e ferrite e di conseguenza le proprietà meccaniche. Valutando i valori dei coefficienti di correlazione di Pearson ottenuti viene confermato quanto era stato ipotizzato. Si può riscontrare dalla tabella 4.1 e dalla figura 4.2 (a), (b), (c) e (d) che la recalescenza eutettoidica è correlata direttamente con la resistenza a trazione, il carico a snervamento e la percentuale di perlite, inversamente con la percentuale di allungamento. Nonostante la buona intensità di correlazione che presentato i vari parametri, esaminando i quattro grafici riportati in figura 4.2 si nota che i punti presentato una notevole dispersione attorno alla funzione best-fit; costruendo i vari modelli di regressione è stato ottenuto per tutti i casi un valore del coefficiente di determinazione molto basso, mai superiore a 0.60, il quale indica che nessuno dei modelli è in grado di descrivere con precisione più della metà dei punti considerati. Per quanto riguarda gli altri due parametri termici analizzati, ovvero la temperatura minima e massima dell’intervallo si ottengono pessimi risultati, in particolare per quanto riguarda il coefficiente di determinazione. Concludendo non è possibile prevedere accuratamente e con un livello di affidabilità sufficientemente elevata le proprietà meccaniche della ghisa sferoidale solamente in funzione dei parametri termici dell’eutettoide. Il processo di solidificazione della ghisa e la microstruttura finale è dipendente da molti parametri, pertanto una previsione più accurata delle proprietà meccaniche potrebbe essere realizzata tenendo in considerazione, oltre ai parametri termici dell’eutettoide, anche l’influenza della composizione chimica del materiale. Bibliografia [1] G. Tordi, “Proprietà meccaniche al variare dei parametri termici dell’eutettoide nella ghisa sferoidale” Tesi di laurea, Università di Bologna, Facoltà di ingegneria, 2016; [2] M. Baricco, L. Battezzati, F. Marongiu, G. Serramoglia, “Le curve di raffreddamento, Aspetti applicativi nella fonderia della ghisa”; [4] Udroidu, “Introduzione all’analisi termo-chimica: otto passi per ottenere una ghisa di ottima qualità” -2004, Proservice Technology; [5] Norma UNI EN 1536, “Fonderia, Getti in ghisa sferoidale”-03,2004; [6] Norma UNI EN 10003.1, “Materiali metallici, Prove di durezza Brinnell” -10/2004; [7] Norma UNI EN 10003.1, “Materiali metallici, Prove di durezza Brinnell” -10/2004; [8] Norma UNI EN ISO 945:1994, “Ghisa, Designazione della microstruttura di grafite” -1994; [9] The R project for Statistical Computing https:// www.r-project.org [10] E. Flamigni, F. Ventura, “Curve di raffreddamento e analisi termica nella realizzazione di getti, parte I” -07/2005, Fonderia Pressofusione; [11] E. Flamigni, F. Ventura, “Curve di raffreddamento e analisi termica nella realizzazione di getti, parte II” -10/2005, Fonderia Pressofusione; [12] E. Flamigni, F. Ventura, “Curve di raffreddamento e analisi termica nella realizzazione di getti, parte III” -12/2005, Fonderia Pressofusione; -William D. Callister Jr., “Material Science and Engeneering, an Introduction” -2006, John Wiley & Sons, Inc.; © RIPRODUZIONE RISERVATA 50