Che cosa è il restringimento nei difetti di fusione

Il ritiro nella fusione di metalli descrive cavità interne o segni di ritiro superficiali che si formano perché il metallo fuso si contrae di circa l'1-6% durante la solidificazione. Senza colonne montanti opportunamente posizionate per fornire ulteriore metallo liquido, il metallo in fase di solidificazione non riesce a colmare la perdita di volume, lasciando vuoti che indeboliscono il pezzo finito.

Cos'è il restringimento nella fusione dei metalli

Il ritiro nella fusione si riferisce alla contrazione volumetrica che si verifica quando il metallo fuso si raffredda e si solidifica, con conseguente riduzione del volume del metallo solido. Poiché i metalli sono generalmente meno densi allo stato liquido che allo stato solido, tutti i metalli fusi subiscono un ritiro durante la solidificazione. Se questa contrazione naturale non viene adeguatamente compensata (ad esempio, aggiungendo ulteriore metallo fuso durante la solidificazione), all'interno del getto possono formarsi vuoti o cavità.

Questi vuoti correlati al restringimento sono una classe comune di difetti di fusione, distinti da porosità del gasIn particolare, i vuoti da ritiro tendono ad avere forme irregolari, frastagliate o angolari (dovute alla separazione della rete dendritica in solidificazione), mentre i fori di porosità del gas sono in genere lisci e arrotondati.

Le tre fasi del restringimento

Fase 1: Restringimento del liquido

Il ritiro liquido inizia subito dopo il versamento del metallo fuso nello stampo. Il metallo si contrae raffreddandosi dalla temperatura di colata alla temperatura di liquidus (il punto in cui inizia la solidificazione). Durante questa fase, il metallo rimane completamente liquido e può fluire liberamente per compensare le variazioni di volume.

Fase 2: ritiro da solidificazione

Il ritiro da solidificazione si verifica quando il metallo si trasforma da liquido a solido alla temperatura di congelamento. Questa fase causa la riduzione di volume più significativa perché gli atomi si compattano più strettamente nella struttura cristallina solida. Il metallo non può fluire per riempire i vuoti una volta solidificato, rendendo questa la fase più critica per la formazione di difetti.

Fase 3: Contrazione allo stato solido

La contrazione allo stato solido avviene dopo che il metallo si è completamente solidificato e ha continuato a raffreddarsi fino a temperatura ambiente. Durante questa fase, il metallo solido si contrae uniformemente in tutte le direzioni. Questa contrazione è generalmente prevedibile e causa variazioni dimensionali complessive piuttosto che difetti interni.

Tipi di difetti di restringimento

Ritiro aperto

I difetti di ritiro aperti sono collegati all'atmosfera o alla superficie del getto. Questi difetti sono visibili durante l'ispezione e spesso si manifestano sulle superfici superiori dei getti. Esistono due tipi principali di ritiro aperto:

• Pipe: Cavità profonde, a forma di imbuto, che si estendono dalla superficie di fusione verso l'interno. Si formano quando il metallo liquido non riesce ad alimentare le aree di restringimento sottostanti.
• Superfici scavate: Depressioni superficiali sulla superficie del getto causate da una quantità insufficiente di metallo liquido per compensare il ritiro da solidificazione. Si presentano come rientranze a forma di disco.

Ritiro chiuso

I difetti di ritiro chiusi si formano interamente all'interno del getto, senza connettersi ad alcuna superficie. Questi vuoti interni sono più difficili da rilevare e richiedono l'esame a raggi X o a ultrasuoni. Si verificano comunemente tre tipi di ritiro chiusi:

• Macro-restringimento: Grandi cavità visibili a occhio nudo quando il getto viene sezionato. Si formano tipicamente nelle sezioni spesse o nei punti caldi.
• Cavità della linea centrale: Vuoti da ritiro lineare che si formano lungo l'asse centrale di getti cilindrici o simmetrici. Si sviluppano quando la solidificazione procede uniformemente da tutti i lati.
• Micro-restringimento: Piccoli vuoti sparsi in tutta la fusione, spesso tra i bracci dendritici. Questi difetti microscopici riducono le proprietà meccaniche anche se singolarmente piccoli.

L'influenza delle modalità di solidificazione sul comportamento di ritiro

Solidificazione eutettica

La solidificazione eutettica avviene a una singola temperatura, dove il liquido si trasforma direttamente in solido, senza una zona pastosa.

Le leghe eutettiche tendono a formare difetti di ritiro simili a quelli dei tubi piuttosto che porosità dispersa. Il fronte di solidificazione trasparente consente una migliore alimentazione del metallo liquido per compensare il ritiro.

Solidificazione direzionale

La solidificazione direzionale procede da un'estremità all'altra del getto in modo controllato. Questa modalità crea un gradiente di temperatura che mantiene il metallo liquido disponibile per alimentare le zone di ritiro. I getti correttamente progettati utilizzano la solidificazione direzionale per spingere il ritiro verso le colonne montanti anziché nel getto stesso.

Solidificazione equiassiale (molliccia)

La solidificazione equiassica crea un'ampia zona pastosa in cui liquido e solido coesistono in un intervallo di temperatura. Le leghe di alluminio e molti acciai solidificano in questo modo. Il modello di solidificazione disperso rende difficile l'alimentazione del metallo liquido.

Questa modalità produce tipicamente microritiro e porosità dispersa, piuttosto che grandi cavità. La rete interconnessa di dendriti solidi blocca i percorsi del flusso del liquido nelle prime fasi della solidificazione.

Causa del restringimento

L'influenza della geometria di fusione

La geometria del getto determina direttamente dove e come si formano i difetti di ritiro. Alcune caratteristiche geometriche creano condizioni che favoriscono il ritiro:

• Hotspot: Le sezioni spesse che si raffreddano più lentamente delle aree circostanti creano pozze di liquido isolate. Queste regioni non possono ricevere liquidi dopo che il metallo circostante si è solidificato, con conseguente formazione di cavità da ritiro.
• Variazione dello spessore della sezione: I bruschi cambiamenti da sezioni spesse a sottili interrompono la solidificazione uniforme. Le sezioni spesse solidificano per ultime e spesso sviluppano difetti di ritiro nelle zone di transizione.

Composizione della lega e caratteristiche di congelamento

La lega metallica specifica e il suo comportamento di solidificazione influenzano fortemente la formazione di difetti di ritiro:

• Ritiro volumetrico: Le diverse leghe si contraggono in misura diversa. L'alluminio puro si restringe del 6.6%, mentre l'aggiunta del 12% di silicio riduce il restringimento al 3.8%.
• Intervallo di solidificazione (congelamento): Le leghe con ampi intervalli di congelamento (differenza tra le temperature di liquidus e solidus) sono più soggette a microritiri. I metalli puri e le leghe eutettiche con intervalli ristretti formano modelli di ritiro più puliti.
• Elementi leganti: Elementi specifici influenzano il comportamento del ritiro. Il silicio nell'alluminio riduce il ritiro, mentre lo zolfo nell'acciaio può aumentare la tendenza alla lacerazione a caldo.

I parametri di processo

Il modo in cui il metallo viene colato e raffreddato ha un impatto significativo sulla formazione di difetti di ritiro:

• Temperatura di versamento: Temperature di colata più elevate aumentano il ritiro totale dovuto al raffreddamento a liquido. Un surriscaldamento eccessivo rallenta anche la solidificazione, dando più tempo alla formazione di cavità di ritiro.
• Velocità di colata: Il versamento rapido mantiene la temperatura ma può causare turbolenza. Il versamento lento consente una solidificazione prematura che blocca i percorsi di alimentazione.
• Velocità di raffreddamento: Il raffreddamento rapido riduce il tempo di alimentazione del liquido, ma può aumentare i gradienti termici. Il raffreddamento lento consente un'alimentazione più completa, ma può creare strutture granulari più grandi.

Progettazione di stampi e montanti

Una corretta progettazione del sistema di stampaggio previene il restringimento attraverso:

• Progettazione di stampi: Il corretto posizionamento di ingate e canali favorisce modelli di solidificazione favorevoli. Il riempimento dal basso riduce la turbolenza, mentre un'adeguata ventilazione impedisce l'intrappolamento di gas che aggrava i problemi di ritiro.
• Progettazione del montante: I riser devono solidificarsi dopo le sezioni di colata che alimentano. Il volume del riser dovrebbe essere da 1.2 a 2 volte il volume di ritiro della sezione alimentata. Le dimensioni appropriate del collo garantiscono un flusso continuo di liquido, facilitando al contempo la rimozione del riser.

Velocità di raffreddamento e brividi

Il raffreddamento controllato gestisce i modelli di solidificazione attraverso:

• Velocità di raffreddamento: Una velocità di raffreddamento più rapida (ottenuta utilizzando raffreddatori (dissipatori di calore posizionati nello stampo) o utilizzando stampi metallici nella fusione in stampo permanente) farà sì che il metallo si congeli più rapidamente e in modo più uniforme, il che può ridurre le dimensioni delle cavità di restringimento o eliminarle forzando la solidificazione direzionale verso gli alimentatori.
• Brividi rinfrescanti: Il raffreddamento sposta efficacemente i punti caldi estraendo calore da punti strategici, favorendo il congelamento anticipato di tali aree (e quindi l'alimentazione da altre zone ancora fuse). Al contrario, un raffreddamento molto lento (come negli stampi isolanti o nelle fusioni di grandi dimensioni) può consentire una significativa segregazione del liquido e favorire la formazione di ampi vuoti da ritiro.