Capitolo 8 – Analisi dei campioni

8.1 – RADIOGRAFIE
Le spirali ottenute dalla prima colata (Cu-Al) sono state inviate al Centre de recherche et de restauration des musees de France di Parigi per l’analisi radiografica al fine di ottenere informazioni sulla distribuzione delle inclusioni e sulla presenza di eventuali macrodifetti all’interno delle spirali.

In figura 25 e 26 sono riportate le radiografie effettuate.

Figura 25: Analisi radiografica delle 4 spirali (130kV, 4 mA, 1 m di distanza tra sorgente e campione, lastra di tipo M con schermo al piombo Contactpack da 25 micron).

 

Figura 26: lastra radiografica di una delle spirali (130kV, 4 mA, 1 m di distanza tra sorgente e campione, lastra di tipo M con schermo al piombo Contactpack da 25 micron).

 

Dall’analisi delle lastre è possibile evincere la presenza di numerose inclusioni e difetti all’interno delle spirali: questo è presumibilmente dovuto alla dinamica di raffreddamento e al fatto che l’aria e i gas che si sviluppano rimangono intrappolati nello stampo e inficiano la misura della lunghezza delle spirali e di conseguenza la valutazione della colabilità.

8.2 – ANALISI METALLOGRAFICA OTTICA ED ELETTRONICA
Le spirali colate invece nella seconda colata sono state tagliate per prelevare alcuni campioni da analizzare microscopicamente
(figura 27).

Figura 27: Spirale scelta per il campionamento prima e dopo il taglio.

La spirale è la numero 1, costituita dalla lega di composizione Cu85Sn10Pb5, scelta perchè, essendo completa, permetteva di prelevare un campione per ciascuna delle tre spire. In particolare si è scelto di analizzare il primo tratto di spirale, quello in prossimità della materozza, per capire se l’utilizzo dei perni metallici aveva inficiato il test introducendo impurezze nel materiale colato, ed un campione per ogni spira per stimare eventuali macrosegregazioni.
I tre campioni sono stati inglobati a caldo in resina conduttrice per permettere l’analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) e preparati metallograficamente attraverso pulitura su carte abrasive e lappatura, secondo la normativa ASTM 3-95.

8.2.1 – ANALISI COMPOSIZIONALE

L’analisi elementare della composizione media e puntuale di varie zone della lega è stata svolta tramite un sistema di spettroscopia di raggi X a dispersione di energia (EDXS), connesso al SEM, direttamente sui campioni preparati metallograficamente in sezione trasversale. In figura 28 è riportato un documento di analisi a titolo di esempio. Dalla figura si può notare che le aree di analisi, per la valutazione della composizione di una sezione, sono di circa 0,6 mm2 e si dispongono all’interno verso il centro per poter valutare l’eventuale macrosegregazione.
Inoltre, per ogni sezione, si è analizzata un’area rappresentativa per la base inferiore, il cuore e la base superiore.

Processing option : All elements analysed (Normalised)

Spectrum
In stats.
Cu
Sn
Pb
Total
Spectrum 1
Yes
84.49
10.97
4.55
100.00
Spectrum 2
Yes
85.40
10.55
4.06
100.00
Spectrum 3
Yes
85.29
10.56
4.14
100.00
Spectrum 4
Yes
84.45
11.60
3.94
100.00
Spectrum 5
Yes
84.47
13.02
2.51
100.00
Spectrum 6
Yes
3.44
0.65
95.91
100.00
Mean
71.26
9.56
19.19
100.00
Std. deviation
33.23
4.46
37.60
Max.
85.40
13.02
95.91
Min.
3.44
0.65
2.51

All results in weight%

In tabella 3-4-5, riportata in seguito, si hanno i valori medi della percentuale in peso per ciascuna area all’interno di una specifica sezione.

Prima spira
(%wt)
Base bassa
Aree di analisi
0
1
2
3
Cu
4
84
84
85
Sn
1
13
12
11
Pb
95
3
4
4
Centro
Aree di analisi
a
b
c
d
Cu
86
85
85
87
Sn
10
11
11
10
Pb
4
4
4
3
Base alta
Aree di analisi
0
1
2
3
Cu
31
85
85
85
Sn
16
11
11
11
Pb
53
4
4
4

Tabella 3: composizione prima spira

 

Seconda spira
(%wt)
Base bassa
Aree di analisi
0
1
2
3
Cu
2
85
84
85
Sn
0
11
11
10
Pb
98
4
5
5
Centro
Aree di analisi
a
b
c
d
Cu
87
85
86
85
Sn
9
10
10
11
Pb
4
5
4
4
Base alta
Aree di analisi
0
1
2
3
Cu
28
80
85
84
Sn
17
18
10
11
Pb
55
2
5
5

Tabella 4: composizione seconda spira

 

Terza spira
(%wt)
Base bassa
Aree di analisi
0
1
2
3
Cu
15
85
85
85
Sn
10
10
11
10
Pb
75
5
4
4
Centro
Aree di analisi
a
b
c
d
Cu
86
85
85
86
Sn
11
10
11
10
Pb
3
5
4
4
Base alta
Aree di analisi
0
1
2
3
Cu
20
85
87
86
Sn
18
11
9
10
Pb
62
4
4
4

Tabella 5: composizione terza spira

0
area esterna
1-3
sequenza verso l’interno
a-d
aree quadrangolari a cuore del campione

 

Figura 29: grafico dei valori medi della composizione per le tre spire prese in esame.

 

8.2.2 DISCUSSIONE DEI RISULTATI DELL’ANALISI ELEMENTARE

In figura da 30 a 33 sono riportate alcune delle micrografie che documentano il fenomeno ed un grafico con indicate le variazioni composizionali in corrispondenza di una zona superficiale. Su tutte le zone superficiali dei tre campioni prelevati dalla spirale, si osserva il fenomeno della segregazione inversa (10-13) che consiste nella formazione di una fase affiorante ricca in piombo seguita da uno strato di lega a base rame ricca in stagno composta dall’eutettoide ?/?.

Figura 30: Immagine al SEM del bordo di un tratto di spirale

 

Figura 31: Immagine al Sem della zona precedente a maggiore ingrandimento

 

Figura 32: immagine al SEM della stessa zona ancora più ingrandita.

 

Tabella 33: profilo delle composizioni nella zona analizzata.

 

Si può notare come nel primo strato di circa 40 ?m verso l’interno vi sia una forte presenza di fase ricca in piombo ed eutettoide ?/?, mentre muovendosi verso il centro si osserva una struttura che si ripete identica caratterizzata da microsegregazione dendritica. Le varie zone in una stessa sezione per tutti e tre i campioni presi in esame non presentano nessun altro tipo di variazione sostanziale nelle composizioni elementari. Il solo fenomeno uniformemente diffuso è la macrosegregazione dendritica e la già citata segregazione inversa che, in ogni caso, si verifica solamente in corrispondenza della superficie. Si può notare, dal grafico di figura 29, come il fenomeno dello smiscelamento del piombo, con formazione del velo superficiale, abbia un’influenza costante sul resto della lega. La composizione a cuore, infatti, risulta sempre pari a un 4% in peso in piombo. Questo fenomeno si è verificato lungo tutta la spirale.

Aree dendritiche a cuore

Nei tre campioni presi in diversi punti dello sviluppo della spirale, a partire dal secondo, si ha presenza di aree dendritiche prive di piombo (figura 34); la taglia del grano nella parte terminale, cioè l’ultima che si è solidificata nella spirale, risulta ridotta rispetto ai primi due campioni, inoltre la porosità interna cresce via via che ci si allontana dal centro della spirale (figura 35-36).

 

 

Figura 34: immagine al SEM della seconda spira

 

Figura 35: immagini al SEM della seconda spira; a sinistra l’immagine con sonda BSE, a destra la stessa immagine con sonda SE.

 

Figura 36: aree dendritiche della parte centrale della seconda spira (attacco chimico con reattivo Klemm I).

 

Figura 37: dendriti disposte radialmente rispetto ad un difetto superficiale nella sezione della seconda spira (attacco chimico con Klemm I).

 

Come riportato in figura 35 e 36 a partire dalla seconda spira, nel cuore del campione si ha la concentrazione di difetti di colata (porosità, cavità di ritiro), confermando quanto visto nelle radiografie. Questo dato, che può fortemente influenzare il risultato, dovrà essere tenuto in considerazione nello sviluppo del lavoro di ricerca per mettere a punto un modello di stampo che faciliti l’eliminazione dei gas presenti nello stampo.
Segregazione inversa

La formazione di uno strato ricco in stagno e nella zona più esterna di una fase piombo/rame (Cu < 5%), è un fenomeno già osservato da altri autori su leghe a base rame [11].
La possibile spiegazione di ciò che accade è la seguente: in una lingottiera chiusa, la prima parte del fuso che solidifica è quella aderente alle pareti dello stampo, le dendriti che si formano (figura 37), hanno spesso ancora una piccola quantità di liquido che le separa, mentre il resto del fuso si concentra al centro della sezione.
Dopo questa prima fase di solidificazione della pelle esterna, la parte parzialmente solidificata, inizia a contrarsi esercitando una pressione sulla massa fluida, in contemporanea, si ha distacco dalle pareti della parte solida nello stampo.
I gas disciolti nel fuso, tendono ad uscire contribuendo alla pressione esercitata dalla contrazione delle dendriti[8].
Risultati di tali fenomeni è la fuoriuscita di fuso ricco in piombo e stagno verso il volume lasciato libero dalla contrazione della forma.
L’arricchimento del fuso in piombo e stagno porta ad uno scostamento importante dalle caratteristiche della lega seguendo il diagaramma di stato ternario Cu-Sn-Pb (fig.38) ove il liquido segue la curva del liquidus portando alla formazione di due liquidi coesistenti uno a prevalente contenuto di piombo e l’altro ancora a prevalente contenuto di rame ma privo di piombo.
Si ha in definitiva la stratificazione dei due liquidi descritti con all’esterno il più bassofondente ossia la fase ricca in piombo.

Come già accennato, questo fenomeno riguarda solo la parte più esterna del getto che, verso l’interno del campione, solidifica seguendo la fenomenologia tipica della segregazione dendritica.

Figura 38: diagramma di equilibrio del sistema Cu-Sn-Pb [14]

Altri difetti riscontrati
Tra le altre difettosità riscontrate si hanno:

  • la presenza, in tutti i campioni, di microinclusioni nodulari di fosforo non reagito
  • nell’ultimo campione prelevato sul giro più esterno della spirale, si nota la presenza di noduli di sabbia (figura 39).
Figura 39: immagini al SEM della terza spira; sono evidenti i granelli di sabbia.

Sarà quindi necessario valutare la necessità di ridurre la quantità di fosforo introdotto prima della colata e, nei limiti del possibile, pulire con attenzione l’interno dello stampo prima di chiudere la staffa e realizzare la colata.