Capitolo settimo DIFETTI DEI PRODOTTI FORMATI A CALDO (FUCINATI, STAMPATI E LAMINATI) utile in molte applicazioni. La formatura a freddo può essere un processo a sé stante o di finitura post formatura a caldo. INTRODUZIONE In senso lato, un prodotto formato può essere definito come un pezzo metallico lavorato per deformazione plastica, al fine di conferirgli una forma definita, tramite martellatura, stiratura, ricalcatura, bigornatura o mandrinatura alla pressa, stampaggio in stampi chiusi alla pressa o al maglio, estrusione o laminazione, o con la combinazione di due o più dei processi citati. Più propriamente, si definiscono: • fucinati gli sbozzati ottenuti per martellatura o formatura alla pressa con utensili aperti (incudine e mazza); • stampati gli sbozzati ottenuti per formatura in stampi; • laminati i prodotti sbozzati o finiti in barre o rotoli ottenuti per laminazione o formatura tra rulli. I prodotti formati possono essere fabbricati con la maggior parte dei metalli e delle loro leghe, quali l’alluminio, il rame, il ferro, il titanio e le leghe resistenti al calore o refrattarie. Non sono fucinabili le ghise e questo le distingue dagli acciai. Le dimensioni dei prodotti formati sono limitate soltanto dalle dimensioni dei prodotti primari da fucinare o laminare (lingotti) e delle attrezzature e impianti disponibili (fucinati e stampati). Possono pesare da pochi grammi a 200 tonnellate. I prodotti formati possono essere fabbricati con deformazione a caldo a temperatura elevata (hot forging) o a temperatura moderata (warm forging) e a freddo (cold forging); tuttavia la formatura per antonomasia è quella a caldo ad alta temperatura. I termini lavorazione a caldo (alta temperatura o moderata temperatura) o lavorazione a freddo sono talvolta arbitrari e applicati a diversi intervalli di temperatura per materiali diversi. Inoltre non sempre esiste buon accordo sugli intervalli di temperatura di fucinatura, laminazione e stampaggio dei vari metalli. Per l’acciaio si considera corretto l’intervallo di formatura a caldo compreso tra 1200 e 850 °C; tuttavia in molti casi la temperatura minima consigliata per evitare eccessivi sforzi o eccessiva usura delle attrezzature e il rischio di frattura del prodotto formato è 900÷925 °C, mentre quella massima per evitare bruciature e strappi non supera i 1150 °C. In certi casi, per migliorare la deformabilità a freddo, alcuni acciai e altri metalli si riscaldano a temperatura relativamente bassa, che tuttavia consente d’ottenere un sufficiente flusso del metallo, non ottenibile a temperatura ambiente. Per esempio certi acciai inossidabili possono esser imbutiti alla forma desiderata, scaldandoli a circa 150 °C, mentre si romperebbero se si tentasse di deformarli nelle stesse condizioni a temperatura ambiente. La massima temperatura, cui un acciaio può essere riscaldato per la formatura nell’intervallo definito a bassa temperatura, corrisponde al punto critico AC1, cioè 700÷720 °C. A temperatura più alta il processo si considera formatura a caldo a moderata o elevata temperatura. Nella formatura a freddo il metallo non si riscalda intenzionalmente, sebbene l’energia dissipata durante la deformazione plastica possa elevare la temperatura anche oltre i 260 °C. La deformazione che si può ottenere con la formatura a freddo è molto più piccola di quella a caldo; tuttavia è METODI PER PRODURRE FUCINATI, STAMPATI E LAMINATI Per produrre i fucinati si usano moltissimi tipi di macchine, quali martellatrici, presse, ricalcatrici e laminatoi per anelli. Infatti, i fucinati possono essere fabbricati con utensili aperti, piani o semitondi (fucinatura o forgiatura), con stampi (stampaggio) e con rulli (laminazione). Gli stampati si fabbricano schiacciando il metallo dentro stampi aperti o chiusi che riproducono la propria forma nel prodotto grezzo di stampaggio. I prodotti laminati piani (lamiere e nastri) o lunghi (barre, profilati e vergella) sono ottenuti per laminazione di sbozzatura (laminatoi reversibili) e in continuo (treni di laminazione) facendo passare il prodotto da laminare entro rulli cilindrici piani o profilati che appiattiscono o sagomano il prodotto laminato secondo le prescrizioni. Si rimanda al volume 5 del Metals Handbook ottava edizione o al volume 14 dell’ASM Handbook decima edizione, chi volesse approfondire la conoscenza sulle macchine, attrezzature e utensili per la fucinatura, lo stampaggio e la laminazione. Nella trattazione che segue parleremo di fucinati e stampati a caldo senza distinzione specifica nell’uso di utensili aperti o stampi, mentre parleremo di laminati riferendoci specificatamente ai prodotti piani o lunghi ottenuti col processo di laminazione a treno continuo. COMPORTAMENTO DEL METALLO DURANTE LA FORMATURA A CALDO Quando un pezzo metallico è lavorato a caldo, i singoli grani sono deformati e subito dopo ricristallizzano formando nuovi grani. Più caldo è il metallo, più è plastico e più facilmente si deforma. Tuttavia una temperatura eccessiva porta all’ingrossamento del grano, all’incipiente fusione dei bordi grano (bruciatura) e ad indesiderate trasformazioni di fase. A temperatura più bassa il metallo è più difficile da deformare, però alla fine possiede un grano più fine e migliori caratteristiche meccaniche. Se la temperatura è ulteriormente abbassata fin sotto la temperatura di ricristallizzazione, allora il grano deformato non ricristallizza più e il metallo resta incrudito. In queste condizioni, una deformazione eccessiva può superare la capacità di deformazione del metallo e portare alla rottura del prodotto deformato. DIFETTI DEI PRODOTTI FORMATI A CALDO (FUCINATI, STAMPATI E LAMINATI) Salvo i prodotti provenienti da getti colati in forme che conferiscono loro dimensioni e forme vicine a quelle finali, tutti gli altri prodotti derivano dalla formatura a caldo (fucinatura, stampaggio e laminazione) dei prodotti primari. Questi prodotti sono usati nelle più varie applicazioni e pertanto sono vulnerabili ad ogni meccanismo di danneggiamento descritto nei precedenti capitoli. Talvolta il danneg1 lingottiera genera la doppia pelle (figure 7.03 e 7.04). Il difetto della doppia pelle è possibile anche nella colata in sorgente anche se raro. Durante la formatura a caldo genera uno strato più o meno spesso e poco aderente sul corpo del prodotto finito che può generare paglie e sfoglie. giamento è favorito da difetti specifici. Di seguito considereremo solo i casi più comuni dei difetti tipici dei prodotti formati a caldo, la loro diagnosi e le azioni correttive da intraprendere per evitarli, anche tramite la descrizione di alcuni esempi, illustrati come casi da manuale. Le procedure d’indagine per la diagnosi dei difetti specifici dei prodotti formati a caldo sono sostanzialmente le stesse delle indagini sulle cause dei difetti di ogni altro tipo di prodotto; tuttavia, in casi particolari, è necessaria una particolare attenzione ed esperienza di settore. DIFETTI DEI LINGOTTI Molti fucinati di grandi dimensioni sono ottenuti direttamente per fucinatura dei lingotti con la mazza e incudine, mentre la maggior parte degli stampati sono ottenuti da tronchetti di billette o di barre prelaminate o prefucinate. Anche i prodotti laminati sono ottenuti per laminazione diretta di lingotti, blumi o bramme e, come i fucinati e gli stampati sono soggetti a difetti caratteristici, spesso simili a quelli degli altri due tipi di prodotti. Gran parte dei difetti dei fucinati, stampati e laminati dipende in larga misura dalla qualità dei lingotti, billette o barre di partenza, mentre meno frequentemente è attribuibile alle condizioni metallurgiche del metallo formato a caldo. I difetti dei lingotti che possono influire sulla qualità dei prodotti formati a caldo (fucinati, stampati e laminati) possono essere superficiali o interni. Gocce fredde d’acciaio liquido Getto Gocce fredde d’acciaio liquido Getto Bagno liquido zi Crosta solida Figura 7.02. Schema di formazione delle gocce fredde durante la colata diretta in lingottiera. Lingottiera Gocce fredde Le gocce fredde sono ormai un problema superato perché si formavano quando l’acciaio si colava direttamente in lingottiera. Questa pratica di colata è ormai stata abbandonata e sostituita dalla colata in sorgente che non genera spruzzi (figura 7.01). Nella colata diretta, il getto d’acciaio liquido impattava sulla base della lingottiera e generava spruzzi, le cui gocce solidificavano rapidamente sulla parete della lingottiera anche in più strati (figura 7.02), ciascuno rivestito da uno strato d’ossido. Poi venivano inglobate nel solido che si formava a contatto con le superfici man mano il liquido rimontava nella lingottiera. L’ossido delle gocce fredde veniva riassorbito durante la formatura a caldo lasciando linee ricche d’ossidi globulari di bollitura e talvolta decarburazione (filature). Bagno liquido Guscio solido Lingottiera d’acciaio liquido I difetti interni più comuni dei lingotti sono: le segregazioni micro e macro; i coni di ritiro primari e secondari; le soffiature subcorticali; la presenza d’idrogeno, che genera i fiocchi; le inclusioni non metalliche endogene ed esogene. uz Getto • • • • • Sp r Lingottiera d’acciaio liquido I difetti superficiali più comuni dei lingotti sono: le gocce fredde; la doppia pelle; i tacconi; le riprese di colata; le lesioni superficiali (cricche o fratture). Lingottiera Getto • • • • • Figura 7.01. Schema di colata diretta e in sorgente nella lingottiera. Doppia pelle Bagno liquido Guscio solido Figura 7.03. Schema di formazione della doppia pelle. Doppia pelle La doppia pelle si può formare quando il primo guscio di metallo solidificato si stacca dalla lingottiera per il naturale ritiro dovuto al passaggio di stato liquido-solido. Se la velocità di risalita del liquido nella lingottiera è irregolare e tale da consentire la tracimazione del liquido oltre il limite del guscio, la sua insinuazione nel vano tra prima pelle e la Figura 7.04. Esempio di lingotto con doppia pelle. 2 Lingottiera Tacconi I tacconi sono parte di metallo che fuoriesce dal guscio solido già formato, che si cricca perché non regge la pressione metallostatica quando si stacca dalla lingottiera per il normale ritiro. Generalmente i tacconi sono un difetto raro nei lingotti. Poiché il metallo che forma i tacconi possiede una composizione chimica diversa da quella del guscio solidificato per primo a causa della macrosegregazione (vedi avanti), in loro corrispondenza nello strato corticale si possono spesso osservare le ghost lines o macrosegregazioni d’aspetto generalmente più chiaro all’attacco macrografico. In figura 7.05 è rappresentato lo schema di formazione di un taccone. La figura 7.06 illustra un esempio di lingotto con taccone. Lingottiera Lingottiera Lingottiera Ossido Ossido Ossido Liquido Liquido solido Tempo t1 Liquido solido Tempo t2 solido Tempo t3 Figura 7.07. Schema di formazione di piccole riprese di colata. Lingottiera Liquido Cricca Solido Liquido Taccone Solido Figura 7.05. Schema di formazione di un taccone. Figura 7.08. Aspetto di una grave ripresa sulla superficie tal quale di un lingotto tondo colato in sorgente. 0,5 x circa. Figura 7.06. Esempio di lingotto con un taccone. Figura 7.09. Aspetto della ripresa del lingotto della precedente figura dopo asportazione per tornitura di 10 mm di materiale. 0,5 x circa. Riprese di colata Le riprese di colata dipendono dalla variazione di velocità di salita del livello del liquido nella lingottiera. Si formano raramente nei lingotti colati in lingottiera con le pratiche di colata diretta o in sorgente e meno raramente nei lingotti da colata continua, dove coinvolgono uno strato superficiale generalmente modesto. In figura 7.07 è illustrato lo schema di formazione delle riprese di colata poco profonde, tipiche della colata continua. Le riprese di colata molto profonde sono rare e si trovano soprattutto in lingotti colati in lingottiera, quando per un incidente la colata è interrotta per un tempo sufficientemente lungo da far solidificare una crosta superficiale importante. Poi la colata è ripresa e il liquido sormonta e ingloba la crosta superficiale solida e ossidata generando un grave difetto che quasi sempre è causa dello scarto del lingotto. Le figure 7.08 e 7.09 mostrano l’aspetto di una grave ripresa come appare sulla superficie del lingotto tal quale e dopo tornitura con asportazione di 10 mm. La figura 7.10 illustra una ripresa di colata in una bramma. Figura 7.10. Aspetto di una ripresa in una bramma (lingotto a sezione rettangolare) 400x1000. 0,05 x circa. 3 4
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