Correlations between defect content, microstructure and casting quality in HPDC AlSi alloys

In questa tesi di dottorato vengono presi in considerazione due principali aspetti: le leghe AlSi secondarie e il processo di pressocolata (HPDC). Poiché i livelli di CO2 e gas serra sono in continuo aumento, il settore industriale è chiamato a ridurre le emissioni prodotte e contenere i consumi energetici. Perciò la produzione di Alluminio secondario mostra un aumento annuale del 6%, trainato principalmente dal settore dei trasporti. In particolare, l'industria automotive e, in generale, quella dei trasporti necessitano sempre più di componenti leggeri al fine di ridurre i pesi totali e di conseguenza limitare le emissioni dannose ed il consumo di carburante. A questo fine, il processo di pressocolata sta diventando sempre più cruciale. Esso, da un lato, è versatile e altamente produttivo, ma dall'altro l'elevata quantità di difetti che si possono trovare nei getti talvolta compromette le caratteristiche finali dei getti. L'attività di ricerca condotta durante gli anni di dottorato si è focalizzata sul processo di pressocolata e la valutazione delle correlazioni tra parametri di processo, qualità dei getti e miglioramento della risposta meccanica. Il lavoro di ricerca comprende tre argomenti interconnessi: (i) l'effetto del processo sulla qualità dei getti in termini di generazione di difetti e morfologia del Silicio, (ii) come difetti e microstruttura influenzano la risposta meccanica dei componenti e (iii) come le proprietà meccaniche possono essere migliorate attraverso specifici trattamenti termici. La tesi inizia riportando il lavoro svolto nell'ambito del progetto ricerca Europeo MUSIC finalizzato a trasformare un processo dominato dal livello produttivo in uno guidato da qualità, efficienza ed integrazione. Nel contesto del progetto MUSIC, è stata sviluppata una procedura di indagine in grado di portare alla definizione di alcune correlazioni preliminari tra parametri di processo, contenuto difettologico e proprietà meccaniche statiche ottenute analizzando sia getti di riferimento sia dimostratori industriali già in produzione. E' stato dedicato un focus particolare alle possibili applicazioni industriali al fine di restringere il divario tra ricerca accademica e industria. Nella seconda sezioni si procede alla definizione di un così detto Indice di Penalità basato sulla simulazione FEM e l'analisi frattografica. Esso ha dato correlazioni significative sia con le proprietà meccaniche statiche che a fatica dei getti basandosi sulla posizione dei difetti sulla superficie di frattura e le relative aree proiettate. Il criterio elaborato fornisce buoni risultati anche se non consente di prendere in considerazione la reale morfologia dei difetti (che può essere molto complessa nel caso di difetti irregolari); il principale svantaggio del criterio è il fatto che si tratti di un'applicazione "post-mortem". Tuttavia, il limite potrà essere superato grazie alla vasta diffusione della Tomografia Computerizzata industriale. La terza sezione della tesi è dedicata principalmente allo studio della microstruttura di getti pressocolati. Sono state utilizzate due leghe secondarie, AlSi12(b) e AlSi12Cu1(Fe), per la produzione dei getti. In entrambi i casi si è riscontrata una notevole disomogeneità della microstruttura, in particolare della morfologia del Si correlabile, in parte, alle differenti risposte meccaniche dei getti allo stato as-cast. Sono stati quindi condotti trattamenti termici a 350°C per tempi variabili dall'1 alle 8 ore. Sono state quindi condotte prove meccaniche, di durezza e analisi metallografiche al fine di capire l'effetto dei trattamenti termici. Si sono svolte analisi microstrutturali tramite microscopio ottico, SEM, TEM e EBSD. Sulla base dei risultati ottenuti, la procedura di trattamento termico è stata valutata efficace dal momento che, in primo luogo, non si sono causati blister sulla superficie dei getti o distorsione dei getti. L'evidente miglioramento meccanico sia statico che a fatica è stato determinato dalla dimensione e morfologia dei cristalli di Silicio. A seguito del trattamento termico, si è verificata una modifica del delle particelle di Si e il passaggio da una morfologia interconnessa ad una più frammentata e arrotondata. In termini di risposta meccanica, da una propagazione rapida che porta ad un cedimento drastico dell'area resistente del componente, si è passati ad una rottura meno istantanea per effetto della propagazione della cricca attraverso la matrice duttile di Alluminio. E' stata valutata e proposta la soluzione migliore in grado di fornire un buon compromesso tra risposta meccanica e costi contenuti. Sono stati quindi condotti esperimenti preliminari in laboratorio al fine di verificare l'effetto sul Si eutettico di alliganti comuni quali Cu e Fe. Tramite la costruzione di un piccolo stampo in grado di fornire velocità di raffreddamento comparabili a quelle della pressocolata si sono condotti studi sulle due leghe sopracitate. Si è osservato un effetto affinante dovuto al Cu, tuttavia ulteriori analisi sono necessarie per approfondire l'effetto del Fe. La tesi riguarda perciò una tematica complessa; nel processo di pressocolata sono richieste un numero elevato di azioni consecutive. Questo è il motivo per cui la ricerca condotta ha portato risultati interessati e utili, ma deve allo stesso tempo essere considerata un punto di partenza per ulteriori approfondimenti. Saranno necessarie nel futuro ulteriori analisi ed indagini.