TECHNOLOGIE TECHNOLOGIES
La OL 4200 s Nox
della Idra
OL 4200 S Nox by Idra
Per la produzione di getti strutturali
di Roberto Boni
[email protected]
For the production of structural parts
I
produttori di autoveicoli sono impegnati a ridurre il peso delle automobile per poter far
fronte ai limiti di emissione che diventano sempre più stringenti in tutti I paesi del mondo. Nuovi materiali, più leggeri, devono essere usati ed
uno dei più indicate è l’alluminio con tutte le sue
leghe. Pertanto l’uso delle leghe di alluminio si
sta espandendo dalle applicazioni tradizionali
come scatole cambio, coperchi frizione, blocco
motore e accessori per tutta la parte di potenza ma anche nei componenti per sospensione,
oggi prodotti principalmente in ghisa o acciaio
e nella parte strutturale della scocca e della carrozzeria. Per le applicazioni cosi dette strutturali
sono richieste elevate caratteristiche meccaniche quali: allungamento, carico di snervamento
e carico di rottura no ottenibili con le leghe ed
il processo della presso colata convenzionale.
Questo processo, estremamente efficiente dal
punto di vista dei costi presenta dei limiti qualitativi intrinseci dovuti alla microporosità che riducono le caratteristiche meccaniche ottenibili e la
possibilità di trattamento termico. Senza entrare
in profondità nella descrizione dei meccanismi
che stanno alla base dei limiti metallurgici della
pressocolata si può dire che sono due I meccanismi principali di formazione dei difetti:
- Microporosità da ritiro
- Microporosità da inclusione di gas
P&TF - 50
The automotive industry is engaged in complete reengineering activity aimed to reduce
car weight to comply to pollution regulations
becoming every day tighter and tighter in all
countries. New, lighter, materials have to be
used and one of best candidate is Al with all
relevant alloys.
Come è noto, la porosità da ritiro dipende dalla contrazione volumetrica della lega passando
dalla fase liquida a quella solida ed è una caratteristica di quasi tutti I materiali metallici.
Le leghe di alluminio presentano una contrazione volumetrica del 5-6% passando dallo stato
liquido a quello solido.
La solidificazione avviene prima nelle sezioni
esterne del getto a contatto con la superficie
metallica dello stampo e le sezioni interne, soprattutto se massicce, non essendo alimentate
da vene liquide, generano porosità interdendritiche. La dimensione delle porosità sono
generalmente crescenti con l’aumentare dello
spessore e possono essere ridotte aumentando
lo spessore degli attacchi di colata ed utilizzando le tecnologie della reocolata con materiali
nello stato semi-solido. I getti strutturali presentano, nella maggioranza dei casi sezioni sottili
e grandi aree proiettate con pesi del getto contenuti. Per tale motivo la porosità da ritiro, che
rappresenta pur sempre una fonte di difettosità,
in questo caso non è la principale. Il punto sul
quale è necessario concentrare l’attenzione è
la microporosità da inclusione di gas sia che si
tratti di quella legata al processo di fusione sia
che sia dovuta al processo di riempimento dello
stampo. A differenza di altri metalli l’alluminio
assorbe principalmente idrogeno e questo gas
è responsabile della formazione di pori nella
struttura del getto di dimensioni tali che sono
riscontrabili visivamente. L’idrogeno è generato
dalla scomposizione dell’umidità atmosferica
che a contatto con l’alluminio liquido reagisce
producendo idrossido di alluminio Al(OH)3 e
idrogeno gassoso H2. L’idrossido di alluminio
è un prodotto dell’ossidazione dell’alluminio ed
è responsabile della contaminazione del bagno
fuso principalmente nella rifusione degli scarti e
delle materozze. La formazione di porosità da
idrogeno è legata dalla differenza di solubilità
del gas in funzione della temperatura e alla diminuzione di questa la lega diventa supersatura
generando idrogeno gassoso che era stato precedentemente assorbito in soluzione nella fase
liquida ad alta temperatura.
La solubilità dell’idrogeno nell’alluminio aumenta con l’aumentare della temperatura sia nella
fase solida che in quella liquida e presenta una
discontinuità di più di un ordine di grandezza
in corrispondenza della temperatura di fusione.
Il problema della generazione di bolle di gas
all’interno della matrice metallica durante la solidificazione si lega alla drastica riduzione della
capacità di soluzione del gas nel metallo e può
Not only in power train parts like engine
blocks, clutch housing, gear boxes, and more
in general engine auxiliary parts but in suspension and body components Al alloys casting are now used and even more in near future.
High mechanical characteristic like UTS,
Yield and Elongation are required. The conventional HPDC, very efficient under the cost
side cannot fulfill integrity and metallurgical
requirements because the typical micro porosity of the process and metal contamination.
Several metallurgical defects affect the HPDC
process that remain, on other side, the most
cost effective technology for mass production.
Without entering deeply in defects generation mechanism we can say that there are two
main reasons:
- Shrinkage micro porosity
- Gas micro porosity
Shrinkage is related to volume change during
solidification and it’s a physical feature of almost all materials.
Typically Al alloys have 5 to 6% of volume
shrinkage during state change from liquid to
solid. Normally due to the fact that parts solidify first in outer zone the internal section is
not feed by liquid metal and a typical inter
dendritic micro porosity is generate. Defects
are greater in thick cross section and can be
minimized with proper gating design, large
ingate section and using semi solid materials.
In the field of structural component wall thickness is limited as casting have large surfaces
- 51
quindi essere trattato come un vero e proprio
fenomeno di segregazione, con nucleazione e
crescita di un precipitato nella fase gassosa.
Da queste brevi considerazioni è evidente l’importanza della corretta preparazione del metallo prima dello stampaggio vero e proprio. Un
accurato degasaggio con insufflazione di Argon
con agitazione del bagno durante il processo è
fondamentale se si vogliono ottenere bassi livelli
di contenuto di Idrogeno. Una particolare attenzione deve essere riservata all’Indice di densità
del metallo Di che, per garantire i bassi livelli di
porosità necessari per ottenere le caratteristiche
meccaniche raggiungibili dalla lega utilizzata
sottoponendola allo specifico trattamento termico, deve essere tra 1 e 2.
Il punto di partenza per ottenere I risultati qualitative richiesti risiede nella corretta preparazione del metallo liquido infatti durante le fasi
successive del processo ci si può solamente
attendere un aumento del contenuto di gas col
fenomeno del “pickup” e del contenuto di ossidi.
Le problematiche successive sono invece legate
alla porosità da gas dovute al riempimento in
regime turbolento dell’impronta all’aria contenuta nel volume della cavità nonché alla generazione di gas sviluppati dal film di distaccante
che vaporizza e gassifica a contatto con l’alta
temperatura dell’alluminio fuso.
Una tecnica ben conosciuta prevede l’uso di un
sistema di vuoto per evacuare l’aria contenuta
nella cavità dello stampo prima di iniettare l’alluminio. Tale tecnologia è largamente utilizzata
da tempo per ridurre i problemi di porosità nei
getti presso colati ed è utile per migliorare la
qualità. I livelli di vuoto normalmente ottenibili
non sono però sufficienti per raggiungere i livelli di qualità metallurgica richiesti dai getti per
P&TF - 52
with the minimum weight. Therefore shrinkage
micro porosity remain an important source of
defect but doesn’t represent the major one.
Point to which we have to address our attention is gas micro porosity that can be inside
the melt metal or added during the die casting
process.
Unlike other metals, aluminium absorbs almost
exclusively hydrogen and this gas is therefore
to be attributed responsibility for the production of defects in the form of pores, but large
enough to be observable visually. This gas
comes mainly from the decomposition of water vapor, humidity or aluminium hydroxide Al
(OH) 3, the latter is a product of corrosion of
aluminium, which can go on polluting the melt
as a result of the same material recovery or
scrap. The formation of such defects is related
to a problem that the metal solidified supersaturated with gases previously absorbed by
the liquid phase. The solubility of hydrogen
in aluminium, as is evident from the figure,
increases with increasing temperature both
in the solid phase in the liquid, introducing a
discontinuity of more than one order of magnitude at the melting point. The problem of
creating gas bubbles within the matrix metal
during solidification, drastically reduce the
ability of the host metal dissolved gas, may
therefore be treated as a real phenomenon of
segregation, with nucleation and growth of a
precipitated in the gas phase. By those short
consideration it appear of most importance
the proper metal preparation before casting.
Accurate degassing with Argon insufflations
with metal stirring is the suitable and compulsory technology if low level of Hydrogen are
require
Attention must be given to Density Index of
metal that, to get the requires low porosity
needed to grant mechanical properties related to alloy composition and heat treatment
and the possibility to weld must be in the level
of 1 to 2. Starting point to get expected results is proper metal preparation. All action
downstream during the casting process can
only add gas contents or oxidation to the alloy. Following issue is related to porosity entrapped during die filling phase due to air
inside die cavity and gases generated by
surface release agent coating die surface in
contact to high temperature liquid metal. A
well known approach is the use of vacuum
system to evacuate air and gasses during die
filling. The technique is widely used since a
usi strutturali. Valori di vuoto di 250 mbar sono
generalmente considerate buoni per la pressocolata convenzionale ma non sono sufficienti
per ottenere le caratteristiche richieste dai getti
strutturali per i quali è richiesto un valore non superiore a 150 mbar per poter sottoporre i getti
al trattamento T5 e per poter fare la saldatura
a settori.
Nel caso fosse necessario, per le caratteristiche
meccaniche richieste, fare il T6 on qualora per
il pezzo si richiedesse la saldabilità continua sul
contorno, bisogna arrivare a 50-90 mbar.
L’ottenimento di tali valori molto impegnativi
comporta una particolare realizzazione del sistema macchina contenitore di iniezione e dello
stampo.
Tutto il sistema deve essere a tenuta per evitare
l’entrata di aria durante la fase del vuoto. Lo
stampo deve essere realizzato con guarnizioni
in gomma siliconica non solo sulla chiusura frontale ma anche su tutti i carrelli e sul sistema di
estrazione centrale.
Allo stesso modo l’accoppiamento del contenitore allo stampo e alla macchina deve avere guarnizioni così come la parte posteriore del pistone di iniezione. Il sistema di vuoto deve essere
collegato alla cavità dello stampo, al sistema di
estrazione centrale ed al contenitore di iniezione. È importante il collegamento del vuoto con
il contenitore in quanto è necessario ottenere il
livello di vuoto richiesto in tempi brevi e la sezione ridotte degli attacchi di colata tipici dei pezzi
a prete sottile creano un perdita di carico che
si riflette sul tempo di raggiungimento del vuoto
nel contenitore utilizzando l’evacuazione dalla
cavità stampo.
Nel caso della macchina modello OL 4200 S il
volume del serbatoio del vuoto è di 3 m3 con
3 pompe ad alta efficienza di cui una di back
up. A bordo macchina è realizzato l’impianto
del vuoto con tubazioni, valvole ed il software
di comando. Il sistema di iniezione della macchina di pressocolata utilizza una tecnologia
idraulica ed elettronica per ottenere le elevate
caratteristiche richieste dal processo La combinazione di alte velocità di iniezione che arrivano a 10 mt/sec con elevata risposta dinamica
cioè con tempi di raggiungimento della velocità di 8 mt/sec inferiori a 20 millisecondi associate ad estrema ripetibilità dei parametri che
si possono riassumere in un CPk >1,66, sono
ottenuti con il “ICS Twin System”. Il controllo
della velocità è realizzato con il controllo delle
portate sullo scarico conosciuto come “metering out” utilizzando due valvole ad alta rispo-
long time but achieved vacuum level for conventional high pressure die casting that can
relieve casting micro porosity to acceptable
level for normal application are not enough
for results to which we aim to. Vacuum level of
250 mbar generally considered good for conventional casting are not enough for structural
component and target has to be 150 mbar
inside cavity for casting to be welded or for
which T5 heat treatment is required. In case of
T6 vacuum level of 50 to 90 mbar is required.
Those very severe level needs a proper approach that involve the die casting machine
on the side of injection sleeve and plunger tip
as well the die design. Accurate sealing must
be provide in all position that could represent
and air inlet. Frontal die surface must have a
silicon cord seal all around and specific atten-
- 53
sta dinamica che sono comandate in sequenza
per avere un accurato controllo delle basse
velocità da 0,01 a 0,4 mt/sec tipiche della
prima fase insieme ad una eccellente risposta
dinamica per le alte velocità tra 8 e 10 mt/sec.
Due valvole TDP controllate in anello chiuso in
tempo reale gestiscono il flusso di scarico del
cilindroidi iniezione. A basse velocità viene
comandata quella di dimensione inferiore che
garantisce la necessaria sensibilità e ripetibilità. Quando invece bisogna raggiungere le alte
velocità le due valvole sono comandate contemporaneamente secondo il sistema “Twin”.
In questo modo il sistema garantisce sensibilità
alla regolazione a basse velocità combinata
alla possibilità di raggiungere velocità di 10
mt/sec e superiori. Una sola valvola di grandi
dimensioni non permette la stessa risposta dinamica e la sensibilità a basse velocità.
Nel processo NoX è estremamente importante
anche il controllo a bassa velocità perché rappresenta, oltre la fase di avviamento del metallo
nel contenitore e agli attacchi di colata anche la
fase di chiusura del foro di alimentazione della
lega.
Inoltre, poiché si tratta di produrre getti a cui
sono richieste elevatissime caratteristiche di
sanità metallurgica, è ancora più importante
la precisa gestione della fase di riempimento
dell’impronta e la accurata ripetibilità dei parametri.
I grandi getti strutturali richiedono tempi di riempimento brevi dovuti ai ridotti spessori di parete pertanto la transizione tra i diversi valori del
profilo della curva di velocità deve avvenire il
più rapidamente possibile. Con il sistema “ICS
Twin System” è possibile tempi di transizione tra
0,4 a 8 mt/sec inferiori a 20 millisecondi. Su un
tempo totale di riempimento dell’ordine di 70
millisecondi transizioni più lente comprometteP&TF - 54
tion must be given to sliding cores that must
be properly sealed as well. Ejection box must
be sealed as well to avoid air inlet from this
side. Injection sleeve, die cavity, ejection box
are connected to machine vacuum tank and
pumps that must be of proper size to grant the
required vacuum level in due time. In the case
of OL 4200 S machine vacuum tanks size is
3 m3 with 3 high efficiency vacuum pumps.
On the machine valves and piping for vacuum
are mounted with vacuum software to realize
the process cycle. The machine injection has
been design special hydraulic technology to
get high demanding features required by the
process. Combination of high injection velocity up to 10 mt/sec and outstanding repeatability are achieved by “ICS Twin System”.
Using “metering out” principles two high dynamic valves are operated with “Twin” principles to get accurate control with low velocity
setting going from 0,01 to 0,4 mt/sec as well
excellent dynamic response with high velocity
setting in the range of 8 to 10 mt/sec. Two
TDP valves with close loop real time software
are controlling the metering out flow. With
low velocity only the smaller one is operated
and setting is very sensitive due to reduced
oil flow passage. At higher velocity setting
the two valve are operated together in “twin”
way and very high velocity can be reached.
The “Twin” design solve the technical problem
on large machine when to get high velocity a
large size valve is needed but losing precision at low velocity. In NoX process accurate
low velocity control is required in movement
first stage when injection tip moves slowly until
metal suction hole is closed. A well controlled
first phase stage it’s also important because related to vacuum generation time. Further more
high dynamic and accuracy in velocity control
during filling phase is required as well. Large
structural component require short filling time
due to thin wall thickness therefore the transition time from different velocity stages must
happen as quick as possible. With “ICS Twin
System” it’s possible to have a transition time
from0, 4 mt/sec to 8 mt/sec velocity in a time
as low as 20 millisecond. A longer time in an
injection with an overall filling time as short as
70 millisecond will heavily affect the complete
process. Consistency of injection parameters
are important as well and values of CM and
CMK comply completely to “best practices”
procedures. First phase time is in the range,
for a large machine, of 1 sec and this is the
rebbero in modo grave il mantenimento del tempo di riempimento richiesto. La ripetibilità dei
parametri di iniezione è altrettanto importante
così come il fatto che I valori di CM e CMk corrispondano alle migliori procedure. Il tempo di
prima fase, per una macchina di grandi dimensioni, è nell’ordine di 1 sec e questo è il tempo
che si ha a disposizione per ottenere il livello
di vuoto richiesto. Di seguito il tempo di riempimento dell’impronta è nell’ordine di 50-80 millisecondi in funzione dello spessore medio del
getto.
Si capisce quindi l’importanza dell’accurato
controllo della velocità di prima fase e quindi
del tempo di prima fase perché direttamente correlato con il raggiungimento del corretto livello
di vuoto. Si capisce bene inoltre, in considerazione dei ridotti tempi a disposizione, come il
metallo della essere accuratamente degasato
prima del trasferimento nel forno di attesa in
quanto il tempo di vuoto non è sufficiente per
estrarre eventuali volumi di gas disciolti nel metallo fuso. L’accurata preparazione della lega
con degasaggio con Argon ed affinazione associato a vuoto spinto nel contenitore e nello
stampo riducono drasticamente il contatto con
l’aria atmosferica che associate all’ottimo controllo del processo di riempimento permettono
di ottenere le superiori qualità metallurgiche richieste dalle specifiche dei progettisti delle case
automobilistiche.
Il processo di fonderia deve
seguire le regole ben note a
tutti, senza eccezioni, con il
controllo dei parametri quali
velocità,pressioni, tempi, temperature e tutti gli altri parametri previsti nelle procedure
operative. Un punto molto importante è la risposta dinamica e e la ripetibilità del sistema
di iniezione della macchina di
presso colata in grado di ottenere, iniezione dopo iniezione,
in modo totalmente ripetibile i
valori definiti durante il processo di simulazione che ha preceduto la realizzazione dello
stampo. È uno spreco di tempo
e risorse effettuare sofisticate
simulazioni di riempimento se
le attrezzature utilizzate nella
reale vita di fonderia non sono
in grado di realizzare quanto
richiesto.
time available to get the required vacuum level. After the filling time is in the range of 50
to 80 millisecond according to casting shape
and wall thickness. It’s evident how important
is to be get an optimal consistency and accuracy of first phase time because tightly connected to vacuum level achieved. It’s also evident that the relative short vacuum time it’s not
enough to eliminate H2 content in the alloy
that must be well degassed in advance before
filling the holding furnace.
Proper liquid metal degassing and refining in
combination with deep vacuum in the injection
sleeve avoiding any contact to atmosphere in
combination with high performance injection
get the possibility to achieve the outstanding
metallurgical properties required by automotive
manufactures for their structural components.
Casting process must follow the well known
rules, without exception, of process parameters control like speeds, pressures, times,
temperatures and all defined operating procedures. An important point is the dynamic
and consistency of the die casting machine
injection system able to realize, injection after
injection, the feeding valued defined during
casting filling simulation activity.
It’s a waste of energy to spend money and
time for simulation if the equipment use in
“real foundry life” isn’t capable to achieve
what necessary.
- 55