ic
tecnico
o
F. Bonollo – G. Timelli
E. Fiorese – S. Capuzzi
nic
StaCast: un Progetto Europeo
verso la Classificazione dei Difetti
nei getti in lega di Alluminio
Introduzione
È iniziato recentemente un nuovo progetto Europeo chiamato
StaCast e dedicato alla fonderia
dell’Alluminio, il quale si pone
l’ambizioso obiettivo di far luce
su questioni normative e standard di qualità per i getti in lega
d’Alluminio. Il progetto StaCast,
la cui durata è di 18 mesi, è condotto dall’Università di Padova
con il coordinamento del Professor Franco Bonollo, e da un
gruppo di lavoro specializzato,
composto dall’Università delle
Scienze Applicate di Aalen (Germania), dall’Università della
Scienza e della Tecnologia di
Trondheim (Norvegia), dall’Associazione Italiana di Metallurgia
(Italia), dall’Assomet Servizi (Italia), e dalla Federazione dei Consumatori d’Alluminio in Europa
(Brussels-Belgio).
Tutte le informazioni relative al
progetto StaCast possono essere consultate nel sito web
www.stacast-project.org.
Il progetto StaCast mira a sviluppare una nuova classificazione
dei difetti strutturali nei getti, introdurre un nuovo approccio
nella definizione delle caratteristiche meccaniche dei getti, e definire i limiti di accettabilità per le
applicazioni finali previste. Il raggiungimento di questi obiettivi
aiuterà significativamente le fonderie a ridurre il costo della
non-qualità, migliorando nel contempo il loro margine di competitività con l’ottenimento di im-
Industria Fusoria 3/2013
portanti vantaggi, come nei costi
dell’energia.
Uno dei primi e fondamentali
passi di StaCast consiste indubbiamente nella messa a punto
di un nuovo Standard Europeo
sulla Classificazione dei Difetti
per i getti in lega d’Alluminio.
L’approccio usato è descritto
nel presente articolo.
gata, e della configurazione di
stampi ed attrezzature. Per
esempio, è necessario tener
ben presente che, nella fase di
riempimento in pressocolata si
vengono a determinare delle
condizioni estreme: la complessità dei componenti comporta
altrettanta complessità degli
stampi, e gli elevati tassi di produzione richiesti (fino a 120
colate/ora) implicano velocità
di riempimento spinte per il
metallo liquido (fino a 40 m/s)
con consistente formazione di
turbolenze nel flusso. Poiché la
solidificazione avviene in pochi
secondi, lo stampo entra in
contatto prima con la lega liquida a più di 700°C e, dopo
30-40 secondi, con il lubrificante spruzzato a temperatura
ambiente. Per questi motivi, la
pressocolata (così come altri
processi di fonderia delle leghe d’Alluminio, tra cui la cola-
Difetti nei getti in lega
di Alluminio
I difetti vengono intrinsecamente generati nei processi di
fonderia per varie ragioni. Le
proprietà finali e il comportamento in servizio dei getti dipendono dalle loro caratteristiche microstrutturali e difettologiche: sia la microstruttura
che i difetti sono il risultato
delle varie fasi del processo,
delle proprietà della lega impieCategoria
Classificazione di Cocks
t ec n
t
ec
o
tecnico
Classe
1-Giunto freddo
1-Difetti superficiali
2-Irregolarità di finitura
3-Superficie ruvida
1-Porosità da gas
2-Difetti interni
2-Porosità da ritiro
Tab. 1 - Classificazione dei difetti di fonderia secondo Cocks.
66
Tipo
1-Generale
2-Spruzzo
3-Vortice
4-Sfogliatura
1-Bolle
2-Ricali
3-Cavità
1-Segni di estrazione
2-Metallizzazione
1-Idrogeno
2-Gas ossidanti
1-Macro-porosità
2-Intergranulare
3-Cricche a freddo/caldo
Porosità da gas
Porosità da ritiro
Gas in soluzione (idrogeno)
Gas intrappolato durante il
riempimento (aria)
Sviluppo di gas dalle anime
Macro-porosità
Micro-porosità (interdendritica)
Cricche a caldo/freddo
Tab. 2 - Classificazione dei difetti di fonderia secondo Campbell.
ta in stampo permanente) può
essere ritenuto un “processo generatore di difetti”. Non solo si
produce tipicamente in media
una percentuale di scarto del 510%, ma anche il tipo, la dimensione e la pericolosità dei difetti
sono variabili.
Alla luce di queste considerazioni, appare evidente che il potenziale della pressocolata e della
colata in stampo permanente
verrà completamente sfruttato
solo nel momento in cui il livello
di qualità sarà del tutto ottimizzato. A tal proposito, l’analisi dei
difetti permette alla fonderia di
monitorare la qualità dei propri
prodotti in relazione ad uno
standard ben definito. Inoltre, l’analisi dei difetti fornisce utili correlazioni tra il tipo/distribuzione
dei difetti e la loro origine, in
modo tale che sia possibile apportare delle modifiche al processo per migliorare la qualità.
Uno degli attuali obiettivi del
progetto StaCast è la compilazione e la disseminazione di strumenti comuni, che permettano
alle fonderie di definire un proprio, ma comparabile standard di
qualità. Il primo strumento che
deve essere messo a disposizione è una base comune di linguaggio (cioè una terminologia, una
classificazione dei difetti appunto), che supporti le fonderie
nell’affrontare con maggiore dimestichezza e abilità il problema
dei difetti, con il fine ultimo di garantire qualità e affidabilità dei
loro prodotti.
Precedenti
classificazioni dei difetti
Ci sono tre approcci principali
alla classificazione dei difetti dei
componenti colati, proposti in
letteratura o attualmente adottati dalle fonderie:
• approccio di Cocks basato sul-
la geometria/posizione dei difetti;
• approccio di Campbell basato
sull’origine/causa dei difetti;
• approccio basato sulla morfologia dei difetti.
Il primo approccio è stato suggerito da Cocks e distingue tra difetti superficiali e interni (Tab. 1).
I difetti superficiali sono visibili a
occhio nudo e impattano sia
sull’estetica del prodotto che
sulla sua funzionalità. Invece, i difetti interni condizionano solo il
comportamento in servizio del
componente.
Come mostrato in Tab. 2, il secondo approccio presentato da
Campbell classifica i difetti sulla
base della loro origine/causa metallurgica (geometria del getto,
lega usata, caratteristiche dello
stampo e sua lubrificazione, parametri di processo, ecc.). Il principale vantaggio offerto da questa classificazione è l’opportunità
di concepire ed adottare strategie per accrescere la qualità dei
prodotti. Il principale svantaggio
di questo approccio deriva dal
fatto che l’origine/causa del difetto viene chiarita simultaneamente all’identificazione dello
stesso e che un singolo difetto
può essere dovuto a vari fattori
concomitanti. Inoltre, questo approccio non si presta bene alla
diretta applicazione nelle fonderie se confrontato con gli approcci basati sulla geometria/posizione, nei quali invece specifiche ispezioni permettono la rilevazione di diversi gruppi di difetti.
Il terzo approccio, proposto
dall’AFS (Società delle Fonderie
Americane) e dalla NADCA
(Associazione Nord-Americana
dei Pressocolatori), è basato sulla morfologia dei difetti. AFS e
NADCA hanno suggerito sette
categorie di difetti, le quali sono
contraddistinte da una lettera
67
Categoria
A-Sporgenza metallica
B-Cavità
C-Discontinuità
D-Superficie imperfetta
E-Getto incompleto
F-Dimensione o forma improprie
G-Inclusioni o anomalie strutturali
Tab. 3. Classificazione dei difetti di fonderia
secondo NADCA.
Classificazione
NADCA
Classificazione
di Campbell
tecnico
(Tab. 3). Ogni categoria è divisa
in gruppi, che sono a loro volta
suddivisi in sottogruppi.
Proposta di una
nuova classificazione
dei difetti
Recentemente, l’AIM (Associazione Italiana di Metallurgia), dopo due anni di indagini condotte
coinvolgendo circa 50 fonderie
di leghe d’Alluminio, ha presentato un nuovo metodo di classificazione impostato sull’identificazione di tre livelli di difetti:
I) morfologia/posizione dei difetti (interni, esterni, geometrici);
II) origine metallurgica dei difetti (per esempio porosità da
gas, ritiro di solidificazione,
ecc.);
III) tipo specifico di difetti (lo
stesso fenomeno metallurgico può generare svariati difetti).
Il livello I è basato sulla morfologia/posizione dei difetti con riferimento alle tecniche di analisi
idonee alla loro rilevazione
(ispezioni visive e controlli che
comprendono l’intero volume
del materiale): in tal senso si distinguono i difetti interni da
quelli esterni (o superficiali). I difetti sub-superficiali (ossia così
prossimi alla superficie del getto
da incidere sul suo aspetto esteriore e rilevabili con tecniche
convenzionali di indagine della
superficie), sono considerati difetti superficiali. Infine, i difetti
geometrici si riferiscono alla forma del getto in termini di dimensioni e tolleranze.
Il livello II è incentrato principalmente sull’origine metallurgica
dei difetti, i quali sono raggruppati in varie classi:
• difetti dovuti alla presenza di
gas (difetti da gas);
Industria Fusoria 3/2013
tecnico
I Livello
II Livello
A1 Difetti da ritiro
A2 Difetti da gas
A
Difetti
interni
A3 Difetti di riempimento
A4 Fasi non desiderate
A5
Difetti da contrazione
termica
A1.1
A1.2
A1.3
A2.1
A2.2
A2.3
A2.4
A3.1
A3.2
A3.3
A4.1
A4.2
A5.1
A5.2
III Livello
Macro-porosità
Porosità inter-dendritica
Porosità planare
Porosità da aria intrappolata
Porosità da idrogeno
Porosità da umidità residua
Porosità da lubrificante
Giunzione
Sfogliatura
Goccia fredda
Inclusione
Struttura non desiderata
Cricca
Cricca a caldo
B1.1
B2.1
B3.1
B3.2
B3.3
B4.1
B4.2
B5.1
B5.2
B6.1
B6.2
B6.3
B6.4
B6.5
III Livello
Ricalo
Bolla
Giunzione e vortice
Sfogliatura
Goccia fredda
Depositi
Contaminazione o inclusione
Cricca
Cricca a caldo
Erosione
Metallizzazione
Crettature da fatica termica
Segno di espulsione
Corrosione dello stampo
C1.1
C2.1
C3.1
III Livello
Getto incompleto
Sbavatura
Getto deformato
Tab. 4 - Classificazione dei difetti interni.
I Livello
II Livello
B1 Difetti da ritiro
B2 Difetti da gas
B3 Difetti di riempimento
B
B4 Fasi non desiderate
Difetti
superficiali
B5
Difetti da contrazione
termica
B6
Difetti da interazione
metallo-stampo
Tab. 5 - Classificazione dei difetti superficiali.
I Livello
C
Difetti
geometrici
II Livello
C1 Mancanza di materiale
C2 Eccesso di materiale
C3 Fuori tolleranza
Tab. 6 - Classificazione dei difetti geometrici.
• difetti causati dalla contrazione
volumetrica del materiale durante la solidificazione (difetti
da ritiro);
• difetti dovuti alla contrazione
termica vincolata dal metallo
precedentemente solidificato o
dallo stampo (difetti da contrazione termica);
• difetti legati al riempimento
mal condotto della cavità dello
stampo (difetti di riempimento);
• difetti
da
interazione
metallo/stampo;
• difetti legati alla presenza di fasi
non favorevoli (fasi non deside-
Industria Fusoria 3/2013
rate), che si formano in seguito
all’interazione del metallo con
l’ambiente circostante durante
la fusione, la colata, il riempimento o l’espulsione dallo
stampo.
Come precedentemente detto,
la conoscenza dell’origine metallurgica può fornire dei punti di
partenza per l’applicazione di
azioni correttive (anche sui parametri di processo).
Il livello III identifica i tipi specifici di difetti. Di solito, il termine
utilizzato per descrivere un particolare tipo di difetto consente
una migliore esplicitazione del-
68
l’origine metallurgica del difetto
stesso, che era stato preliminarmente individuato nel livello precedente.
Questo approccio è stato approfonditamente esposto nel resoconto di recente pubblicato
[E. Gariboldi, F. Bonollo, P. Parona,
Manuale dei difetti nei getti pressocolati, AIM, Milano], e costituisce
chiaramente la base per il raggiungimento del primo rilevante
obiettivo di StaCast, cioè la definizione di un Nuovo Standard
sulla classificazione dei difetti.
Questa classificazione dei difetti
è ibrida e multi-livello, come mostrato schematicamente nelle
Tabb. 4, 5 e 6. La proposta fa riferimento solo ai difetti metallurgici nei getti pressocolati e colati
in stampo permanente. I difetti
strettamente connessi alle operazioni di movimentazione, finitura, lavorazione meccanica successive all’espulsione dallo stampo sono esclusi dalla presente
classificazione, nonostante essi
possano causare lo scarto del
prodotto. In questo modo, la
gamma di difetti non diventa eccessivamente ampia.
Riferimenti
1) Gruppo di Lavoro Qualità dei
Getti Pressocolati: “Qualità dei
getti pressocolati: Indagine sulla
situazione attuale, prospettive
di una norma sulle condizioni di
fornitura dei getti pressocolati”;
Centro di Studio Pressocolata,
Associazione Italiana di Metallurgia, Milano (2006).
2) D.L. Cocks: “A proposed simple
qualitative classification for diecasting defects”; Proc. Die-casting Conference, Montreaux
(1996), pp 19/1-19/15.
3) J. Campbell, R.A. Harding: “Casting technology”, in TALAT 2.0
cd-rom, EAA, Brussels, 2000.
4) J. Campbell: “Castings”, Elsevier
Science Ltd., Oxford (2003).
5) W.G. Walkington: “Die Casting
defects – Causes and solutions”; North American Die
Casting Association, (1997).
6) E. Gariboldi, F. Bonollo, M.
Rosso: “Proposal of a classification of defects of high-pressure
diecast products”; La Metallurgia italiana, vol. 99, 6 (2007),
p.39.
tecnico
7) E. Gariboldi, F. Bonollo, M.
Rosso: “Classification criteria
for defects in diecast components”; Proceedings High Tech
Die Casting 2008, Montichiari
(2008).
8) ASM Metals Handbook, 10th
ed., vol. 15, “Casting”; ASM Metals Park, Ohio (1990).
9) E. Di Russo, “Atlante Metallo-
grafico delle leghe di alluminio da fonderia”; Edimet, Brescia (1991).
10) J.R. Brown, “Non-ferrous
foundryman’s handbook”;
Butterworth, Oxford (1999).
11) G. Timelli, F. Bonollo: “Microstructure, defects and
properties in aluminium alloys castings: a review”; Proc.
Int. Conf. Aluminium Two
Thousand, Firenze.
12) www.stacast-project.org
Franco Bonollo, Giulio Timelli, Elena
Fiorese, Stefano Capuzzi, Università
di Padova, Dipartimento di Tecnica
Gestione dei Sistemi Industriali Vicenza.
[email protected]
Dizionario dei difetti nei processi di pressocolata e colata in stampo permanente
CODICE
ITALIANO
INGLESE
DIFETTO
A1.1
Macro-porosità Macro-shrinkage
A1.2
Porosità
interdendritica
A1.3
Porosità planare
A2.1
Porosità da
idrogeno
A2.3
Porosità da umidità
residua
A2.4
Porosità da
lubrificante
A3.1
Giunzione
A4.2
A5.1
A5.2
B1.1
B2.1
B3.1
B3.2
B3.3
B4.1
B4.2
B5.1
B5.2
B6.1
B6.2
B6.3
B6.4
TEDESCO
SPAGNOLO
Souffloures
Makroporosität
Macroporosidad
Porosidad
interdendritica
Microretassures Interdendritische Porosität
Microretassures
centralés des
pieces
Porosità da aria Air entrapment
Porositè d’air
intrappolata
porosity
enprisoné
A2.2
A3.2
A3.3
A4.1
Interdendritic
shrinkage
FRANCESE
Layer porosity
Hydrogen
porosity
Vapour
entrapment
porosity
Lubricant
entrapment
porosity
Joint
Porositè de gaz
Dissous dans le
metal
Porositè
Porositè de gaz de
poteyage
Reprise
Sfogliatura
Lamination
Goccia fredda
Cold shot
Inclusione
Inclusion
Struttura non
Undesired
desiderata
structure
Cricca
Crack
Cricca a caldo
Hot tear
Ricalo
Sink
Blister
Blister
Giunzione e vortice Joint and vortex
Sfogliatura
Lamination
Goccia fredda
Cold shot
Depositi
Surface deposits
Contaminazione o
inclusione
Cricca
Cricca a caldo
Erosione
Metallizzazione
Crettature da fatica
termica
Segno di espulsione
B6.5
Corrosione dello
stampo
C1.1
Getto incompleto
C2.1
C3.1
Bava
Getto deformato
Mittellinienporosität
Porosidad planearea
Luftporosität
Porosidad de aire
atrapado
Hydrogenporosität
Porosidad de
hidrógeno
Dampfporosität/
/Dampf Feuchtigkeitseinschluss
Porosität durch
Verbrennungsprodukteinschluss
Verbindung/
kaltflie stelle
Schülpe
kalter Tropfen
Einschlu
Porosidad de
humedad restante
Porosidad de
lubricante
Unión
Friass
Goutte froide
Inclusion
Structure ne pas
Nicht gewunschte Struktur
demandée
Fissure
Ri
Fissure à chaud
Warmri
Retassure
Schwindung
Cloque
Blase
Reprise
Kaltstell und Wirbel
Eclatement
Abblätterung/Schülpe
Goutte froide
kalter Tropfen
Dépot
Schlackenhalde
Trace de lubrifiant,
Verunreinigung/
Contaminant
trace de poteyage
Beschmutzung oder
or inclusion
ou inclusion
Einschluss
Crack
Fissure
Ri
Hot tear
Fissure à chaud
Warmri
Erosion
Erosion
Erosion
Soldering
Etamage
Metallisierung
Durch thermische
Thermal fatigue
Craquelure
Ermüdung
Ejection mark
Arrachement
Auswerfermarke
Druckgussform
Corrosion of the
korrosion/
Corrosion de moule
die
Korrosion der
Druckgussform
Uncomplete
Malvenue
Unvollstandiges Gussteil
casting
Flash
Bavure
Gu grat
Deformed part
Deformation
Deformiertes Gu teil
69
Foliación
Gota fría
Inclusión
Estructura no
deseada
Grieta
Grieta en caliente
Hundimiento
Burbuja
Unión y remolino
Foliación
Gota fría
Depósitos
Contaminación o
inclusión
Grieta
Grieta en caliente
Erosión
Metalización
Grieta por fatiga
térmica
Marca de expulsión
Corrosión
del molde
Pieza incompleta
Rebaba
Pieza deformada
Industria Fusoria 3/2013