Microstruttura di un pressocolato

La microstruttura dei componenti ottenuti mediante tecniche di fonderia è un vero e proprio indice di prestazione, in quanto è direttamente responsabile delle performance del prodotto.

I componenti ottenuti mediante tecniche di fonderia, detti getti, sono prodotti attraverso colata di una lega liquida in uno stampo e successiva solidificazione. La loro microstruttura, risultante dal processo di solidificazione, è direttamente responsabile delle performance del prodotto poiché spesso è quella che verrà messa in esercizio, in particolare quando si parla di pezzi pressocolati che non sono soggetti a trattamento termico. Per comprendere come interpretare e/o analizzare la microstruttura di un getto, risulta quindi fondamentale capire come avviene la solidificazione e quali strutture si formano.

La dinamica della solidificazione

La solidificazione è un evento esotermico fortemente condizionato da fenomeni di trasporto di massa e di energia. Durante la solidificazione si formano una o più nuove fasi e viene rilasciato calore latente. Nel caso delle leghe, la solidificazione inizia quando la temperatura del fuso scende sotto la temperatura di liquidus e si completa quando la temperatura raggiunge quella di solidus. La solidificazione avviene in due stadi: nucleazione ed accrescimento (Figura 1).

La nucleazione porta alla formazione nel liquido di centri di cristallizzazione, ovvero nuclei stabili (Figura 1a), che si accrescono (Figura 1b) fino a occupare tutto lo spazio a loro disposizione, completando la solidificazione che porta alla formazione dei grani e, nelle zone di reciproco contatto, dei bordi grano (Figura 1c). Pertanto, maggiore è il numero dei siti di nucleazione disponibili, maggiore è il numero dei grani formati e minore sarà la loro dimensione.

La quantità correlata alla fase di generazione dei nuclei è il sotto-raffreddamento (DT), dato da:

ΔT = T raffreddamento – T liquidus

La nucleazione omogenea, che consiste nella spontanea aggregazione di atomi in seno al liquido per formare i nuclei, è difficilmente riscontrabile nella pratica poiché richiede valori di sotto-raffreddamento molto alti (dell’ordine di 1K). Più frequente è il caso della nucleazione eterogenea, in cui la superficie dello stampo e le impurezze (come gli inoculanti appositamente inseriti) fungono da punti di innesco della solidificazione, così da necessitare di un sotto-raffreddamento decisamente inferiore, in linea con quanto riscontrato nella pratica industriale.

Va comunque sottolineato che più il sotto-raffreddamento è elevato più la nucleazione è favorita, ovvero si attivano più nuclei che, avendo così meno spazio per accrescere, danno origine ad una microstruttura più fine. Questo spiega come mai si osserva una microstruttura più grossolana nelle zone massive dei getti (basso sotto-raffreddamento) e più fine nelle zone più sottili (alto sotto-raffreddamento) e anche perché nei processi di colata caratterizzati da un’elevata velocità di raffreddamento, come nel caso della pressocolata, non si aggiungono inoculanti per favorire la nucleazione eterogenea, in quanto già stimolata dall’elevato sotto-raffreddamento.

Una volta che i nuclei si sono formati e sono stabili, la crescita procede con l’avanzamento dell’interfaccia in direzione del liquido più freddo, così da smaltire il calore latente rilasciato.

L’accrescimento può essere planare oppure dendritico e la differenza risiede nella modalità di smaltimento del calore latente di solidificazione. L’accrescimento planare, più raro, avviene per avanzamento di un’interfaccia piana liquido-solido nel liquido. Il liquido si trova ad una temperatura superiore a quella di fusione e le protuberanze del solido che si formano all’interfaccia dovranno attendere che il liquido in prossimità della stessa si porti alla temperatura di solidificazione, così da procedere con l’avanzamento del fronte.

L’accrescimento dendritico, invece, avviene quando il liquido è sottoraffreddato: le dendriti cresceranno sviluppando braccia primarie e secondarie in grado di raggiungere il liquido a minore temperatura.

 

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Source: Stampi
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