Prof. Doru Michael Stefanescu
1
2
CSF(casting skin) = diffetto combinato tra: rugosita ecessiva della superficie(penetrazioni di espansione, fisiche, chimiche) e denegerazione dello strato superficiale (grafite degenerata, mancanza di grafite, bordo ferritico, bordo perlitico)
3
Significato della CS(Casting Skin)
Fisica e chimica di interazione metallo – forma, nelle leghe ferrose
Strato superficiale danneggiato(CS, casting skin)
Penetrazione del metallo liquido Penetrazione di espansione Penetrazioni meccaniche Penetrazioni chimiche
Una grande parte delle conclusioni di ordine economico prendono in considerazione la qualità della superficie della fusione La superficie(pelle) della fusione riguarda: - l'estetica del getto - le proprietà meccaniche del pezzo - in casi estremi l'accettabilità del getto
4
Difetto Interazioni Effetti
Rugosità superficiale estettica della superfice
Bordo perlitico o assenza di grafite Lievi diminuzione lavorabilità
miglioramento lavorabilità
diminuzione lavorabilità
estetica della superficie
riparazioni della superficie
Penetrazioni meccaniche Severe riparazioni della superficie
Assenza grafite o degenerazione
grafiteLievi
Penetrazioni meccaniche Severe
5
Fisiche Chimiche Leghe ferrose
Pressione metallostatica
Pγ Pst
metallo
Terra di
formatura
Pressione capillare
O2, H2O
N2
C (Si,Mn…) Mg (Ce)
Fe
Reazioni chimiche
6
Pressione metallostatica: Pst= ρ g h
Pressione capillare: Pγ = -2γLV cosθ/dp
Steel
Silica
solido (silica)
vapori Metallo liquido γLV
γSV γSL
θ
rugosità alterazioni microstrutturali
Pγ > Pst
Pγ < Pst
Penetrazioni metalliche
Interazioni severe Interazioni leggeri
Leggera interazione all’interfaccia metallo-forma degenerazione superficiale
22 HCOOHC
COOC 22
1Strato decarburato Bordo perlitico
COMgOCOMg 2
22 HMgOOHMg
MgOOMg 22
1
Assenza di Mg Degenerazione
della grafite
Grafite lamellare
Grafite vermicolare
Assenza grafite
Bordo perlite
Senza ossidazione del Fe
7
8
Strato decarburato Grafite degenerata
22 HCOOHC
222 HCOOHCO
forma
22 HCOOHC
COFeOCOFe 2
22 HFeOOHFe
COOC 22
1
4222 SiOFeSiOFeO
FeOOFe 22
1
interfaccia
Interazioni severe penetrazioni chimiche
non-oxidized steel
oxidized steel
sand grain
Steel
Silica
Iron oxide
Fayalite
Ossidazione del Fe
9
10
Significato del CS(casting skin)
Interazioni chimiche e fisiche metallo-forma
Superfice della fusione
Penetrazione del metallo nella terra di formatura Penetrazioni espansive Penetrazioni meccaniche Penetrazioni chimiche
11
Caratteristiche della superfice in CGI
• rugosità della superficiale
• bordo ferritico o perlitico
• degenerazione della grafite
• impoverimento di grafite
• zona ad alta nodularità
12
3.5
2.5
6.0
mm
3.5
2.5
6.0
mm
Forma della grafite e zona; piastra di 3,5 millimetri spessore
Assenza Grafite
Valutazione – Spessori sottili, ghisa a grafite sferoidale
13
Condizioni
superfice As-cast Lavorata
Sabbiata
1 volta
Sabbiata
2 volte
Spessore CS
(mm) 0.183 0 0.125 0.0
14
930.TS
TSSF
machined
AsCastTS
Ghisa a grafite sfreroidale
840.TS
TSSF
machined
AsCastTS
Ghisa a grafite vermicolare 5-20% Nodularità
machined
AsCastTS
StrengthTensile
StrenghtTensileSF
TSAsCast - misurazioni dirette,
oppure dal modello statistico
provino 26.7
mm 26.7
mm 26.7
mm
8
mm
80 mm
100 x 25 x 8 mm
15
17
166 μm
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0% 10% 20% 30% 40% 50%
Nodularity
Fat
igu
e S
kin
Fac
tor
Present study
Kuwamoto et al
Effetto della nodularità
machined_fat
AsCast_fat
fatSF
Effetto del CS(casting skin) Il fattore di qualità della superfice
Resistenza a fatica - ghisa a grafite vermicolare
0.00
0.05
0.10
0.15
AC SB1 SB2
Test condition
Skin
th
ickn
ess (
vis
ual)
, m
m
effetto della granigliatura per spessori sottili
Ghisa a grafite vermicolare
As-cast
Granigliatura
1 min
Granigliatura
5 min
M-SB: Lavorazione meccanica e granigliatura
100
200
300
400
500
1.0E+04 1.0E+05 1.0E+06 1.0E+07
Alt
ern
ati
ng
Str
es
s, M
Pa
Nf, cycles
AC
M
AC-SB
M-SB
Graniglia acciaio(S-660) Tempo granigliatura - 32 s
AC: as- cast AC-SB: As-Cast e granigliatura
M: Lavorazione meccanica
19
CS(casting skin)
Effetto della granigliatura - Resistenza alla fatica
0.00
0.04
0.08
0.12
0.16
0.20
Phenolic Urethane Sodium Silicate
Binder Type
Th
ickn
ess, m
mSkin Thickness
Pearlitic rim
20
Alto tenore di zolfo nella
terra di formatura
aumenta lo spessore della
superfice degradata
(Kokos e Barlow)
Una percentuale elevata
di sabbia rigenerata
(resine uretaniche,
furaniche e fenoliche)
aumentato lo spessore
dello strato di grafite
degenerata
(Xiaogan 1992)
21
Tipi di vernici refrattarie:
Vernici inattive (completamente inerte rispetto alla metallo liquido) - mica, zircone, BN
Vernici attive (altera la composizione chimica locale del metallo liquido); possono avere qualche effetto inoculante) - FeSi e grafite
Vernici reattive (hanno una reazione chimica con metallo liquido), effetto di disossidazione e desolforazione) - CaO, MgO, e FeSiMg
22
No Coat
No Coat
No Coat
FeSi
FeSi
FeSi
Gr
Gr
Gr
0
50
100
150
200
250
300
4.0 4.2 4.4 4.6
CE, %
Ski
n th
ickn
ess,
m
NC
Gr
FeSi
CE = 4.1%
CE = 4.3%
CE = 4.5%
Vernice attiva
0
50
100
150
200
250
300
4.0 4.2 4.4 4.6
CE, %
Ski
n th
ickn
ess,
m
NC
Gr
FeSi
23
Effetto del CE nell’assenza di vernice: Consolida l’austenite primaria in ghisa ipoeutettica.
Spinge Mg rigettato dal solido davanti al fronte di
solidificazione zona impoverita di Mg in superfice
struttura dendritica fortemente orientata con grafite
lamellare fine tra i dendriti.
Con l'aumento del CE meno austenite superfice
più sottile.
Effetto della grafite: CE locale è aumentato meno austenite primaria
diminuzione della superfice a basso contenuto di CE,
quindi si formano meno dendriti di austenite
Effetto ancora ridotto, atteso per alto CE
Effetto del FeSi:
Diminuisce il sottoraffreddamento a interfaccia col
metallo (inoculazione) superfice più sottile (vedi diagramma di fase asimmetrica)
No coat
FeSiMg
CaO
MgO
24
Effetto del FeSiMg: Riduce lo spessore dello strato di grafite
degenerata
Nodularità superiore al centro della lastra (Mg
dissolto diffonde nella piastra)
Effetto del MgO e del CaO:
Piccolo miglioramento con CaO
MgO ha prodotto la pelle più spessa
Non essendoci zolfo nel legante utilizzato
CaO e MgO possono essere valutati come
rivestimenti inattivi
MgO ha alta conducibilità termica che
promuove la formazione dei dendriti di
austenite più del CaO.
MgO produce la pelle più spessa rispetto al
CaO
La conducibilità termica maggiore di MgO promuove anche nodularità superiore al
centro della lastra
25
Vernice reattiva Vernice innattiva
26
Legante; silicato di sodio
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
NC BN FeSi Gr Mica Zr -1 min Zr -2 min Zr -3 min
Ski
n T
hic
knes
s,
m
Low CE
Med CE
High CE
Skin thickness
0
5
10
15
20
25
30
NC BN FeSi Gr Mica Zr1 Zr2 Zr3 MgO CaO FeSiMg
Mold coating types
Ro
ug
hn
ess
aver
age,
m
Roughness
Legante; resina furanica
27
Lo spessore della superfice danneggiata, diminuisce con: Uso delle vernice refrattarie attive(ess. ferrosilicio, grafite)
Uso delle vernice refrattarie reattive(ess. FeSiMg, CaO)
La maggiore nodularità della ghisa a grafite vermicolare
Lo spessore della superfice danneggiata, aumenta con: Tenore elevato di zolfo nella sabbia formatura
Dimensione dello spessore del getto
Tempo lungi nel passaggio a 1150-1050 C
Basso carbonio equivalente
Intonaci inattivi ad elevata conducibilità termica
Resine uretaniche e fenoliche sono meno nocive rispetto al silicato di
sodio
Ghisa a grafite vermicolare è molto più sensibile alla qualità della
superfice
I problemi della qualità della superfice si verificano anche nelle forme che
non hanno ossigeno o zolfo quali stampi metallici
29
La rugosità superficiale dipende dalla finezza della sabbia e dalla
pressione
metallostatica(dipendente dalla altezza della fusione).
L’impoverimento di grafite e bordi ferritici sono causati dalla
decarburazione della superficie del getto. Maggiori umidità e
temperature di colata promuovono la decarburazione.
La carburazione è la causa della formazione dei bordi perlitici.
La degenerazione della grafite si può spiegare attraverso:
L’impoverimento di Mg a causa di reazioni chimiche con lo stampo e la
sua atmosfera (S, O, H2O)
Un aumento della quantità di austenite nello strato superficiale
consegue l’impoverimento Mg
30
Degenerazione della grafite
Impoverimento in grafite
Bordo perlitico
casting skin
Terra
formatura
ossigeno
zolfo
carbonio
Mg, Ce,…
C
Liquido
adiacente
Alti tenori
C e/o S
Scarso numero di nuclei
Meccanismo della formazione di CS(casting skin) Sommario:
31
Significato di CS(casting skin)
Fisica e chimica di interazione metallo - forma nelle leghe ferrose
Strato superficiale danneggiato(CS, casting skin)
Penetrazione del metallo liquido Espansione della penetrazione Penetrazioni meccaniche Penetrazioni chimiche
32
Definizione: una condizione della superficie delle fusioni, in cui
gli ossidi dei metalli hanno riempito i vuoti tra i granelli di
sabbia, senza spostare l'interfaccia metallo-forma
Meccanismi di base:
meccanico (allo stato liquido)
chimico
stato di vapori
penetrazione esplosiva
penetrazione di espansione
95% delle cause di un difetto di tipo: strato superficiale
danneggiato(SC), sono le penetrazioni meccaniche e
chimiche
le penetrazioni meccaniche e chimiche possono essere
compresse in termini di interazioni fisiche e chimiche alla
interfaccia metallo-forma
33
Inizio riempimento
forma
Inizio solidificazione
Fine solidificazione
Fine riempimento forma Degenerazione dello
Strato superficiale
Penetrazioni metallostatiche
Alimentazione Interrotta
Penetrazioni di espansione
Penetrazioni
dinamiche
Sequenza della penetrazione
Solo per ghise
Causa: espansione grafitica eutettica
Punto caldo
Pressione di espansione
Pressione di espansione
Penetrazione di metallo
solido liquido
34
35
Ipotesi: Nessuna ossidazione della
superficie (vale per ghisa) Corretta progettazione sistema di colata e alimentazione Bassa pressione del gas (forma
ventilata)
Equazione da risolvere:
Fronte di penetrazione
Pγ+Pf+Pgas
Pst+Pdyn+Pexp
interfaccia h
Lp
Metallo liquido
Parte superiore
grannelli sabbia
d
gasfdynst PPPPPP exp
fdynst PPPP
• Equazione principale:
36
21
2
2
3241
180
/
)cos()(
LV
pd
dp
pd
Vghf
ftdL
risolvendo l'equazione
di equilibrio delle pressioni
d: diametro grannelli sabbia GFN
tp: temperatura di colata fd: densità
bulk density, hardness μ: viscosità ghisa liquida ρ: densità ghisa liquida
h: alteza metallostatica V: velocità del metallo nella forma dp: diametro medio dei pori
permeability, MQI γLV: enrgia superficiale metallo liquido θ: angolo bagnabilità terra di formatura
profondità di penetrazione nello stampo in sabbia
37
150 130 110 90 0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Angolo bagnabilità, °
Pro
fondità
penetr
azio
ne
, m
h=300 mm
h=200 mm
h=150 mm
d=0.6 mm
170 150 130 110 90 0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
Angolo bagnabilità, °
d=0.6 mm
h=200 mm
d=0.1 mm
d=0.05 mm
cr cos1 dp
4 LV
g h V2
Per: Lp = 0
21
2
2
3241
180
/
)cos()(
LV
pd
dp
pd
Vghf
ftdL
38
Scenari possibili: PI >1 penetrazioni assenti 0 < PI < 1 possibili penetrazioni mecaniche PI < 0 possibili penetrazioni chimiche
PIcos act
cos cr
cos act k kC %C kSi %Si kCSi %C %Si ...
cos cr
dp
4 LV
g h 1.41V2
40
Fe on quartz
Fe-C on quartz
θ > 90o θ < 90o
FeO on quartz
solidO
vapor liquidO γLV
γSV γSL
θ
Indice delle penetrazioni meccaniche Valutazione del angolo di bagnabilità
41
Foundry Variables Mold Variables
Metallostatic Head 0.68
Mold Quality Indicator 230
GFN
Metal Velocity in Mold 0.05
Metal Variables
Cast Iron Composition
%C 3.6
%Si 1.75
%Mn 0.5
%P 0.1
%S 0.065
Superheating 200
Penetration Index 1.00
Metal Variables
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
0.90 0.95 1.00 1.05 1.10
Penetration Index
Ele
me
nt,
%
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Su
pe
rhe
at,
C
C
Si
SupHeat
Mn
P S
Metal Variables
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
0.90 0.95 1.00 1.05 1.10
Penetration Index
Ele
me
nt,
%
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Su
pe
rhe
at,
C
C
Si
SupHeat
Mn
P S
Mold Variables
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.90 0.95 1.00 1.05 1.10
Penetration Index
Meta
l. h
ead
, m
0
20
40
60
80
100
120
Hard
ness
GF
N
GFNHardness
Metal head
Mold Variables
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
0.90 0.95 1.00 1.05 1.10
Penetration Index
Meta
l. h
ead
, m
0
20
40
60
80
100
120
Hard
ness
GF
N
GFNHardness
Metal head
42
Tipi di adittivi Inerto; ess, silicea Attivo; ess seacoal
Tutti gli aditivi lavorano riempindo gli spazi tra I grani di sabbia
Aditivi reattivi svolgono un lavoro migliore in
colmare i vuoti intergrannulari proteggono il carbonio
dall'ossidazione
Seacoal è un materiale bituminoso di alta
volatili
diventa plastico e si espande durante il riscaldamento
Carbonio vitroso
43
Diffetto: Cause: Soluzioni:
Penetrazioni dinamiche
eccesso di valocità durante il riempimento
modifica del sistema di colata per riduzione della velocità
Penetrazioni metallostatiche
la pressione (altezza) del metallo liquido
diminuire l'alteza del metallo, GFN della sabbia e temperatura di colata Aumentare durezza della terra di formatura cambiare la composizione chimica del metallo
Penetrazioni d'espansione
pressione dovuta alla espansione grafitica eutettica
provocare solidificazione progressiva(direzionale) in tutte le parti della fusione aggiungere un alimentatore come valvola di sfogo
44
Depletazione di carbonio C + H2O = CO + H2
Ossidazione Fe + H2O = FeO + H2 Formazione di Fayalite 2FeO(S) + SiO2(S) = Fe2SiO4(L)
FeO in sabbia silicea
Penetrazioni di fayalite
Sequenza delle reazioni chimiche nella interfaccia metallo-forma:
FeO
a) b)
c) d)
SiO2 FeO
fayalite
45
Sabbia silicea
steel
silice-fayalite eutettica
iron oxide
METALLO C Fe Mn Si Ni Cr
etc.
TERRA SiO2 or
ZrO2 or
Al2O3 C
etc.
GAS O2 H2
CO2 CO H2O
C + ½ O2 → CO
C + H2O → CO +H2
CO + H2O → CO2 + H2
C + H2O → CO + H2
Fe + CO2 → FeO + CO
Fe + H2O → FeO + H2
2FeO + SiO2 → Fe2SiO4
46
Fe+C mold
C in metallo
FeO
Ccr
O2 Matematicamente, sono
necessari tre elementi:
1. minimo (critico) di contenuto di
carbonio all'interfaccia per evitare
l'ossidazione del ferro - Ccr 2. flusso di carbonio diffuso
attraverso il metallo all'interfaccia
metallo - stampo - C 3. flusso di vapori di ossigeno /
acqua attraverso lo stampo
all'interfaccia - O2
47
0.2%C acciaio penetrazioni massici
0.35%C acciaol qualche penetrazione
48
Le penetrazioni chimiche si verificano sempre quando l’acciaio al carbonio è colato in sabbia verde senza aggiunte di carbonio
Sabbie con aggiunte di carbonio o sabbie con leganti chimici(resine) diminuiscono la di penetrazione del metallo liquido
Atmosfera ossidante aumenta la probabilità delle penetrazioni chimiche
Tenore alto di carbonio diminuisce la propensione alle penetrazioni chimiche
49
1. S. Boonmee and D.M. Stefanescu, “Effect of Casting Skin on the Fatigue Properties of CG Iron”, Int. J. Metalcasting, 7, 2 (2013) 15-42
2. S. Boonmee and D.M. Stefanescu, “The Mechanism of Formation of Casting Skin in CG Iron and its Effect on Tensile Properties”, Key Engineering Materials, Trans Tech Publications, Switzerland 457 (2011) 11-16
3. S. Boonmee and D.M. Stefanescu, ”On the Mechanism of Casting Skin Formation in Compacted Graphite Cast Iron” Int. J. of Metalcasting, 3, 4 (2009) 19-24
4. D. Stefanescu, S. Wills, J. Massone, and F. Duncan, “Quantification of Casting Skin in Ductile and Compacted Graphite Irons and its Effect on Tensile Properties”, Int. J. of Metalcasting, Fall (2008) 7-28
5. S. Boonmee and D.M. Stefanescu, “Casting Skin Management in Compacted Graphite Iron - Part I: Effect of Mold Coating and Section Thickness”, Trans. AFS 121 (2013) paper 13-091
6. S. Boonmee and D.M. Stefanescu, “ Casting Skin Management in Compacted Graphite Iron - Part II: Mechanism of Casting Skin Formation”, Trans. AFS 121 (2013) paper 13-092
7. S. Boonmee and D.M. Stefanescu, “The Effect of Nodularity and Surface Condition on the Fatigue Properties of CG Iron” Trans. AFS 120 (2012) 355-64
8. S. Boonmee, B. Gyesi, D.M. Stefanescu, “Casting Skin of Compacted Graphite Iron Part I: Evaluation and mechanism of formation” Trans. AFS, 118 (2010) 205-16
9. S. Boonmee and D.M. Stefanescu,” Casting Skin of Compacted Graphite Iron Part II: Influence on Tensile Mechanical Properties” Trans. AFS, 118 (2010) 217-24
10. D.M. Stefanescu, S. Wills, J. Massone and F. Duncan, “Quantification of Casting Skin in Ductile and Compacted Graphite Irons and Its Effect on Tensile Properties” Trans. AFS, 117 (2009) 587-606
11. D.M. Stefanescu and F.R. Juretzko, “Study of the Effect of Some Process Variables on the Surface Roughness and Tensile Properties of Thin Wall Ductile Iron”, Trans. AFS, 115 (2007) paper 07-118
50
12. J.W. Torrance and D.M. Stefanescu, “An Investigation on the Effect of Surface Roughness on the Static Mechanical Properties of Thin-Wall Ductile Iron Castings,” Trans. AFS, 112 (2004)
13. D M Stefanescu, K.D. Hayes, J.O. Barlow, M. Owens, A.M. Lane and T S Piwonka, “Penetration of Liquid Steel in Sand Molds Part I: Physics and Chemistry of Penetration and Mathematical Modeling – Metal Side”, Trans. AFS, 109 (2001) 1347-1363
14. A.M. Lane, M.D. Owens, D M Stefanescu, T S Piwonka, J O Barlow, K D Hayes, “Penetration Of Liquid Steel In Sand Molds, Part II: Chemical Reactions At The Mold/Metal Interface During Casting Of Steel,” Trans. AFS, 109 (2001) 1327-1345
15. K. D. Hayes, J.O. Barlow, D.M. Stefanescu and T S Piwonka, “Penetration of Liquid Steel in Sand Molds Part III: Experimental Evaluation of the Metal-Molding Aggregate Interaction”, Trans. AFS, 109 (2001) 1365-1378
16. K. D. Hayes, J.O. Barlow, D.M. Stefanescu and T.S. Piwonka, “Mechanical Penetration of Liquid Steel in Sand Molds”, AFS Trans., 106 (1998) 769-776
17. S.R. Giese, D.M. Stefanescu, J. Barlow and T.S. Piwonka, “Cast Iron Penetration in Sand Molds - Part II: Experimental Evaluation of some of the Main Parameters Responsible for Penetration”, AFS Trans., 104 (1996) 1249-1257
18. D. M. Stefanescu, S.R. Giese, T.S. Piwonka and A.M. Lane, “Cast Iron Penetration in Sand Molds - Part I: Physics of Penetration Defects and Penetration Model”, AFS Trans., 104 (1996) 1233-1248
19. Also translated in German in Giesserei-Praxis 9 (1998) 358-365
20. D.M. Stefanescu, T.S. Piwonka, S. Giese and A. Lane, "Metal Penetration in Sand Molds: A Fundamental Approach to Solving the Problem," AFS Trans. 101 (1993) 789
21. S. Giese, D.M. Stefanescu, T.S. Piwonka, S. Sen and B.K. Dhindaw, "An Investigation on the Role of Sand-Metal Contact Angle in the Formation of Casting Penetration Defects (II)" AFS Trans. 100 (1992) 785-792
22. G. Kaptay and D.M. Stefanescu, "A Theoretical Analysis of the Effect of Oxygen on the Penetration Factor in the Iron/Silica System" AFS Trans. 100 (1992) 707-712
23. D.M. Stefanescu, P. Delannoy, T. S. Piwonka and S. Kacar, "An Investigation in the Role of Sand-Metal Contact Angle in the Formation of Casting Penetration Defects", AFS Trans. 99 (1991) 761-780
51