Ad oggi circa il 79% delle leghe di Al sono prodotte per Direct Chill (DC) casting che è una tecnica di colata semicontinua verticale. Sono ottenute placche e billette circolari per l'estrusione. In tale processo la solidificazione è realizzata mediante il raffreddamento primario (nella lingottiera) e quello secondario (lungo la billetta). Diversi problemi possono compromettere la corretta solidificazione, tra i quali:
- Fenomeni di turbolenza durante la colata del metallo liquido.
- Gap d'aria nella lingottiera. A causa dell'elevato ritiro di solidificazione, la buccia solida si stacca dalla parete della lingottiera inducendo la formazione di un gap d'aria tra buccia e parete. Esso introduce un'elevata resistenza termica che provoca un aumento locale della temperatura; tale aumento può promuovere fusioni locali che causano il deterioramento della microstruttura presso la pelle.
- Deformazioni e sforzi di natura termica. I fenomeni termici inducono quindi delle contrazioni e dunque sforzi di trazione nella parte centrale della zona pastosa (cioè nell'ultimo metallo che solidifica), che possono indurre la formazione di cricche interne note col nome di "hot tears".
- Segregazioni. Come la macrosegregazione centrale e la microsegregazione (associata ad eventuali precipitazione di composti intermetallici dannosi) che coinvolge differenze di concentrazione su distanze dell'ordine dei micrometri, e può essere controllata con trattamenti di omogenizzazione.
Il progetto di ricerca instaurato tra il DII e la ditta Almec s.r.l. di Rovereto, è incentrato sulla realizzazione di una innovativa macchina di colata per Direct Chill, con l’obiettivo di: agevolare il processo di colata; produrre leghe con microstrutture migliorate (ad esempio, esenti o con un contenuto limitato di difetti), eventualmente adatte ai successivi processi di lavorazione per deformazione plastica senza la necessità della fase di omogenizzazione (che è costosa, soprattutto in termini di impianti e impegno temporale: il trattamento è tipicamente eseguito in forno a 470-580°C per 4-42 ore in funzione del tipo di lega); aumentare la produttività. In particolare appare particolarmente interessante la possibilità di contenere la lunga fase di omegenizzazione, cosa possibile solo se si riduce al minimo la microsegregazione. Per questo è necessario modificare il meccanismo di solidificazione in modo da anticipare la transizione da crescita dendritica a crescita equiassiale e affinare la dimensione del grano cristallino.
Tali obiettivi verranno perseguiti seguendo la cosiddetta via fisica, associata all’agitazione (stirring) del metallo in fase di solidificazione. Mentre la via chimica, con l’inoculazione di diversi affinanti, è ben assodata nella pratica fusoria, quella fisica è ancora in fase di sperimentazione. Recenti studi mostrano come l’uso di sistemi ottimizzati di stirring siano in grado di affinare la grana cristallina e ridurre i fenomeni di micro- e pure macrosegregazione (non eliminabili, questi ultimi, neppure con il trattamento di omogenizzazione termica). Si ritiene che l’agitazione possa avere due effetti principali: da una parte essa promuove la rottura delle punte delle dendriti facilitando così la transizione alla crescita equiassiale centrale; dall’altra, essa induce un abbassamento della temperatura del bagno (incrementando l’asportazione del calore per convezione), favorendo così la nucleazione eterogenea dei grani.
Il progetto è molto ampio e coinvolge diversi unità operative. Il contributo del DII avrà una parte metallurgica e una fluidodinamica; lo studio metallurgico sarà condotto nel laboratorio di “Progettazione meccanica e metallurgia” sotto la guida del sottoscritto, mentre la parte fluidodinamica sarà investigata nel laboratorio di “Fuid mechanics” con la direzione del prof. Filippo Trivellato.
Responsabile: prof. Giovanni Straffelini
Lingottiere per Direct Chill Casting