ITUD20120159A1 - Procedimento per la fabbricazione di getti in acciaio - Google Patents

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ITUD20120159A1
ITUD20120159A1 IT000159A ITUD20120159A ITUD20120159A1 IT UD20120159 A1 ITUD20120159 A1 IT UD20120159A1 IT 000159 A IT000159 A IT 000159A IT UD20120159 A ITUD20120159 A IT UD20120159A IT UD20120159 A1 ITUD20120159 A1 IT UD20120159A1
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reinforcing insert
casting
steel
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Alberto Andreussi
Primo Andreussi
Eddy Pontelli
Enrico Veneroso
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F A R Fonderie Acciaierie Roiale S P A
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Description

"PROCEDIMENTO PER LA FABBRICAZIONE DI GETTI IN ACCIAIO"
CAMPO DI APPLICAZIONE
II presente trovato si riferisce ad un procedimento per la fabbricazione di getti in acciaio, vantaggiosamente ma non esclusivamente in acciaio al manganese, utilizzati per ottenere elementi d'usura ed ai getti così fabbricati. Tali elementi d'usura sono utilizzabili in tutte le applicazioni in cui à ̈ richiesta un'elevata resistenza all'usura, anche sotto carichi impulsivi, come ad esempio frantoi, mulini, organi macinanti, componenti di turbomacchine o di macchine per movimento terra.
STATO DELLA TECNICA
È noto fabbricare, mediante colata, getti in acciaio per la realizzazione di elementi d'usura, utilizzati in una pluralità di applicazioni in cui à ̈ necessaria una elevata resistenza sia all'abrasione che agli urti. Ad esempio, con tali acciai vengono realizzati componenti di mulini o frantoi, oppure casseforti, componenti di escavatori o mezzi cingolati o turbomacchine, ecc...
In una formulazione preferenziale gli acciai di cui si discute contengono fino all'1,5% di carbonio e fino al 20% di manganese e hanno una struttura austenitica che consente di combinare un'elevata durezza con una notevole tenacità. Questi acciai hanno anche una spiccata tendenza all'incrudimento e un'elevata duttilità.
È noto addizionare tali acciai con elementi formatori di carburi complessi, per formare leghe di acciaio al manganese maggiormente resistenti all'usura. Tra questi componenti il più usato à ̈ il cromo che, oltre ad elevare il carico di snervamento, induce la formazione di carburi di cromo nella matrice austenitica.
Tuttavia, i carburi di cromo hanno la tendenza a precipitare a bordo grano, infragilendo la struttura e riducendo la tenacità dell'acciaio. È pertanto necessario un trattamento termico, tipicamente una ricottura di solubilizzazione seguita da uno spegnimento in acqua, che viene effettuato dopo il completamento del raffreddamento dell'acciaio. La ricottura ed il successivo raffreddamento rapido consentono infatti di far migrare i carburi dal bordo grano alla matrice austenitica.
Per elevati tenori di cromo, la ricottura non consente di ottenere una completa solubilizzazione dei carburi, e pertanto à ̈ volta a modificare la forma di questi ultimi, per renderli globulari, quindi meno inclini alla formazione di cricche. Inoltre, un'ulteriore funzione della ricottura e dello spegnimento à ̈ quello di distribuire uniformemente attorno al grano austenitico i carburi presenti a bordo grano.
Sebbene tali acciai noti siano risultati essere i migliori per resistenza all'usura nei confronti di materiali da macinare presentanti notevoli tenacità ed abrasività, hanno l'inconveniente di avere una bassa conducibilità termica. Ciò ne ha infatti limitato l'uso a spessori non superiori a circa 100 mm, in quanto il processo di spegnimento in acqua comporta, in prodotti di spessori superiori, la nascita di tensioni interne tali da far insorgere cricche. In questo modo, nel caso in cui detti spessori vengano ottenuti con acciai contenenti manganese compreso tra il 12% ed il 20%, decadono le proprietà di tenacità tipiche di tali acciai.
È altresì noto che tale limitazione di spessori à ̈ stata superata introducendo elementi, come ad esempio il titanio, in grado di dare origine a composti duri già nella fase liquida della lega. Tali composti duri raramente si collocano a bordo grano, ma rimangono uniformemente distribuiti nella matrice austenitica, anche dopo il trattamento di solubilizzazione. Le leghe di acciaio che si ottengono sono pertanto maggiormente resistenti all'abrasione e all'usura rispetto agli acciai contenenti cromo e privi di titanio, soprattutto nel caso di spessori notevoli e di condizioni di utilizzo particolarmente gravose.
Un inconveniente degli acciai contenenti titanio à ̈ dovuto al fatto che essi conferiscono una resistenza all'usura maggiore a tutta la sezione di un manufatto, a fronte della necessità di avere una particolare resistenza solo nelle parti maggiormente sollecitate. Ciò rende infatti il manufatto meno lavorabile e determina un consistente aumento dei costi della lavorazione per asportazione di truciolo.
Un ulteriore inconveniente legato all'adozione del titanio e all'ottenimento di un manufatto avente uniformemente ottime caratteristiche risiede nel costo del manufatto stesso, che risulta elevato.
Lo scopo del presente trovato à ̈ quindi quello di mettere a punto un procedimento che consenta di realizzare, mediante colata, getti di leghe di acciaio, vantaggiosamente ma non esclusivamente al manganese aventi caratteristiche eterogenee. In particolare, si vuole realizzare getti in acciaio per ottenere elementi d'usura aventi complessivamente la tenacità dell'acciaio al manganese e, in zone localizzate, la durezza necessaria a resistere alle sollecitazioni d'usura e abrasione.
Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.
ESPOSIZIONE DEL TROVATO
Il presente trovato à ̈ espresso e caratterizzato nelle rivendicazioni indipendenti. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell'idea di soluzione principale.
In accordo con il suddetto scopo, un procedimento secondo il presente trovato à ̈ utilizzabile per la fabbricazione di getti in acciaio, in particolare ma non esclusivamente per la fabbricazione di getti in acciaio al manganese destinati all'ottenimento di elementi d'usura.
II procedimento comprende almeno una fase di realizzazione di almeno un inserto di rinforzo, una fase di preparazione di uno stampo per il getto da fabbricare, ed una successiva fase di colata di acciaio all'interno dello stampo.
Secondo un aspetto del presente trovato, il suddetto inserto di rinforzo, viene realizzato mediante compattazione di una polvere indurente in una forma geometrica voluta tramite tecniche di sinterizzazione quali l'EBM (Electron Beam Melting), o la SLM (Selective Laser Melting), o altre tecniche simili od assimilabili.
Tali tecniche hanno il vantaggio di consentire la realizzazione pressoché di qualsiasi forma geometrica, sviluppata nelle tre dimensioni secondo le specifiche esigenze .
Esse consentono inoltre, grazie all'elevata intensità energetica ed il compattamento a cui à ̈ sottoposta la polvere indurente, di ottenere inserti di rinforzo sostanzialmente privi di porosità e tensioni residue.
Realizzare inserti di rinforzo con tecniche EBM o SLM, o similari, presenta l'ulteriore vantaggio di essere un processo rapido e preciso, e consente di ottenere inserti di rinforzo anche con materiali altofondenti, ad esempio tungsteno, titanio, molibdeno.
Il procedimento oggetto del presente trovato prevede che la summenzionata fase di preparazione dello stampo comprenda una sottofase di posizionamento di almeno un inserto di rinforzo all'interno dello stampo stesso. Al fine di consentire un voluto saldo posizionamento dell'inserto di rinforzo all'interno dello stampo, durante la fase di realizzazione dell'inserto di rinforzo, viene realizzata almeno un'appendice, avente la funzione di ancorare l'inserto di rinforzo allo stampo.
È un aspetto di variante del presente trovato il prevedere che, durante la fase di realizzazione dell'inserto di rinforzo, vengano realizzati canali, passanti o ciechi, o reciprocamente intersecanti, per favorire l'ancoraggio dell'inserto di rinforzo all'acciaio colato durante la suddetta fase di colata.
Secondo un ulteriore aspetto del trovato, le suddette tecniche di sinterizzazione permettono di ottenere la fusione di elementi o composti presentì all'interno di detta polvere indurente, per generare carburi misti e complessi all'interno dell'inserto di rinforzo.
Tali carburi rendono l'inserto di rinforzo duro e resistente all'usura, e adatto a conferire tali proprietà anche al getto nel quale viene inserito.
Forma oggetto del presente trovato anche un getto in acciaio, per l'ottenimento di un elemento d'usura, fabbricato secondo il procedimento sopra riportato. Tale getto ha una microstruttura ed una durezza eterogenee puntualmente posizionate e definite da almeno un inserto di rinforzo integrato nello stesso getto in acciaio durante la colata dell'acciaio in uno stampo.
Secondo un aspetto caratteristico del getto summenzionato, l'inserto di rinforzo à ̈ ottenuto con tecniche di sinterizzazione quali la EBM (Electron Beam Melting) , o la SLM (Selective Laser Melting) , o altre tecniche simili od assimilabili.
Inoltre, il sopraccitato getto comprende carburi misti e complessi. Tali carburi conferiscono durezza e resistenza all'usura al getto così ottenuto e di conseguenza, all'elemento d'usura che da esso viene ricavato .
Durante la fase di colata, l'inserto di rinforzo subisce una fusione parziale, che consente vantaggiosamente un'intima saldatura con l'acciaio colato, per conferire al getto che si ottiene una macrostruttura omogenea e nel contempo una microstruttura eterogenea.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:
- la fig. 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica di una forma di realizzazione di un procedimento secondo il presente trovato;
- la fig. 2 Ã ̈ una variante di un particolare di fig. 1; - la fig. 3 illustra schematicamente un getto secondo il presente trovato.
DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE
Con riferimento alla fig. 1, un procedimento 10 per la fabbricazione di getti 110 in acciaio, vantaggiosamente ma non esclusivamente al manganese, secondo il presente trovato, consente di ottenere getti 110 aventi microstruttura eterogenea.
Il procedimento 10 prevede che in una fase di preparazione 11 venga realizzato uno stampo 111 per ogni getto 110, che in una successiva fase di colata 12 venga colato acciaio al manganese fuso all'interno dello stampo 111 e che in una fase di attesa 13 avvenga la solidificazione del getto 110.
Durante la fase di preparazione 11, viene realizzata, nella fattispecie, ad esempio con sabbia di olivina miscelata con additivi leganti, una pluralità di pareti perimetrali 112 che delimitano una cavità interna 113. Un'apertura superiore 114 mette in comunicazione la cavità interna 113 con l'esterno dello stampo 111 e consente l'ingresso dell'acciaio fuso nella cavità interna 113 stessa durante la fase di colata 12.
La fase di preparazione 11 comprende una sottofase di posizionamento 14 di almeno un inserto di rinforzo 115 all'interno della cavità interna 113 dello stampo 111. Una fase di realizzazione 15 dell'inserto di rinforzo 115 (fig. 1) viene effettuata precedentemente alla suddetta fase di preparazione 11 dello stampo 111 e prevede che l'inserto di rinforzo 115 venga realizzato tramite sinterizzazione di una polvere indurente 118.
La sinterizzazione prevede una iniziale compattazione della polvere indurente 118, che viene quindi almeno parzialmente fusa, e successivamente risolidificata.
La polvere indurente 118 Ã ̈, ad esempio, a base di ferro e contiene anche composti contenenti cromo e/o titanio, oppure altri elementi affini al carbonio, che, fondendosi, realizzano leghe con carburi misti e complessi .
Una prima formulazione del presente trovato prevede che la polvere indurente 118 comprenda, oltre a polvere a base di ferro, i seguenti componenti:
- carbonio in una percentuale compresa fra 2.5% e 3.5%; - cromo in una percentuale compresa fra 20% e 30%;
a cui sono addizionabili , in ragione delle caratteristiche ulteriori che si vogliono ottenere, i seguenti componenti opzionali:
- molibdeno in una percentuale compresa fra 0.1% e 1%; - tungsteno in una percentuale compresa fra 0.1% e 0.5%.
Una seconda formulazione del presente trovato prevede che la polvere indurente 118 comprenda, oltre a polvere a base di ferro, i seguenti componenti:
- carbonio in una percentuale compresa fra 0.5% e 1.0%; - cromo in una percentuale compresa fra 10% e 15%;
a cui sono addizionabili i seguenti componenti opzionali :
- molibdeno in una percentuale compresa fra 0.1% e 1%; - vanadio in una percentuale compresa fra 0.2% e 1.5%; - boro in una percentuale compresa fra 0.001% e 0.015%; In accordo con una terza formulazione del presente trovato si prevede che la polvere indurente 118 comprenda, oltre a polvere a base di ferro, i seguenti componenti :
- carbonio in una percentuale compresa fra 0.3% e 0.5%; - cromo in una percentuale compresa fra 4% e 5%;
- molibdeno in una percentuale compresa fra 0.5% e 1.5%.
Altre formulazioni delle miscele sono ottenibili quali semplici applicazioni delle linee base sopra indicate. La polvere indurente 118 viene trattata in una macchina di sinterizzazione, nella quale la struttura e la forma geometrica dell'inserto di rinforzo 115 vengono definite partendo dalla polvere indurente 118.
A tal fine, possono essere utilizzate tecniche di sinterizzazione quali ad esempio la tecnica EBM (Electron Beam Melting) o la tecnica SLM (Selective Laser Melting), ma altre tecniche di tipo additivo simili od assimilabili alle precedenti possono essere impiegate.
Nel prosieguo della descrizione, a titolo esemplificativo, si farà riferimento alle tecniche EBM e SLM, intendendo tuttavia valide le seguenti considerazioni anche per altre tecniche similari.
Le tecniche EBM o SLM consentono di ottenere l'inserto di rinforzo 115 voluto con polvere indurente 118, mediante fusione localizzata di specifiche aree di quest 'ultima.
L'elevata densità energetica che può essere raggiunta con le tecniche EBM o SLM consente di fondere, e quindi sinterizzare, anche polveri di materiali altofondenti, quali ad esempio i sopraccitati titanio, tungsteno e molibdeno.
L'ottenimento dell'inserto di rinforzo 115 à ̈ controllato e gestito da un'unità di controllo che coopera con un dispositivo di fusione per ottenere le forme geometriche volute.
Le tecniche di sinterizzazione sopra riportate permettono vantaggiosamente di realizzare inserti di rinforzo 115 di qualsiasi forma geometrica, sviluppata nelle tre dimensioni spaziali secondo le specifiche esigenze del getto 110 che si vuole ottenere. Infatti, essendo tecniche additive, consentono di ottenere in modo rapido e preciso sviluppi geometrici tridimensionali anche notevolmente complessi, difficili, oppure addirittura impossibili da ottenere mediante lavorazioni per asportazione di truciolo, oppure per stampaggio.
Infatti, secondo il trovato, gli inserti di rinforzo 115 possono prevedere canali interni intersecantisi o meno, in cui l'acciaio fuso può penetrare durante la fase di colata 12, per creare un migliore e più saldo collegamento tra inserto di rinforzo 115 e acciaio fuso. La fig. 2 riporta, a titolo esemplificativo, una variante di inserto di rinforzo 115, nella fattispecie sagomato a spirale piana.
Altre forme spaziali di inserto di rinforzo 115 possono essere realizzate, secondo le esigenze puntuali richieste dal prodotto finito.
Durante la sottofase di posizionamento 14 dell'inserto di rinforzo 115, viene effettuata anche un'operazione di ancoraggio, durante la quale esso viene ancorato almeno ad una delle pareti perimetrali 112 dello stampo 111. A tale scopo, l'inserto di rinforzo 115 comprende, alle proprie estremità, una o più appendici 120, che fungono da mezzi di ancoraggio e che vengono inserite all'interno delle corrispondenti pareti perimetrali 112.
Tale accorgimento permette all'inserto di rinforzo 115 di rimanere nella propria corretta posizione anche durante la successiva fase di colata 12, durante la quale viene inglobato completamente nella matrice di acciaio al manganese che viene colata nello stampo 111.
La fig. 3 illustra un esempio di getto 110 nel quale à ̈ evidenziata la posizione inglobata dell'inserto di rinforzo 115.
L'utilizzo di tecniche del tipo EBM, o SLM, consente, attraverso il controllo del processo di sinterizzazione, di ottenere inserti di rinforzo 115 sostanzialmente privi di porosità e tensioni residue, quindi vantaggiosamente compatti e resistenti.
Inoltre, gli inserti di rinforzo 115 così ottenuti non necessitano di trattamenti termici successivi alla loro fabbricazione, e pertanto possono essere collocati nello stampo 111 immediatamente dopo la sinterizzazione.
Durante la fase di colata 12, in ragione dei propri componenti, ciascun inserto di rinforzo 115 può subire una fusione parziale, che, durante la successiva solidificazione, consente di ottenere un getto 110 macrostrutturalmente omogeneo, per effetto della saldatura tra l'acciaio colato e la parte fusa dell'inserto di rinforzo 115.
Il getto 110 che si ottiene conserva una microstruttura eterogenea, che presenta durezza maggiore in corrispondenza delle zone interessate dall'inserto di rinforzo 115.
Una volta terminata la solidificazione del getto 110, dopo la summenzionata fase di attesa 13, successivi trattamenti termici consentono, ad esempio inducendo trasformazioni martensitiche all'interno del getto 110 stesso, di conferire ulteriore durezza alle zone che presentano gli inserti di rinforzo 115.
È chiaro che al procedimento 10 ed al getto 110 in acciaio per elementi d'usura fin qui descritti possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato.
È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz'altro realizzare molte altre forme equivalenti di getto 110, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell'ambito di protezione da esse definito.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la fabbricazione di getti (H O) in acciaio, in particolare ma non esclusivamente in acciaio al manganese, destinati all'ottenimento di un elemento d'usura, comprendente almeno una fase di realizzazione (15) di almeno un inserto di rinforzo (115), una fase di preparazione (11) di uno stampo (111) per il getto (110) da fabbricare, in cui l'inserto di rinforzo (115) viene collocato, ed una successiva fase di colata (12) dell'acciaio all'interno di detto stampo, caratterizzato dal fatto che detto almeno un inserto di rinforzo (115) viene realizzato mediante compattazione di una polvere indurente (118) in una forma geometrica voluta tramite tecniche di sinterizzazione, quali l'EBM (Electron Beam Melting), o la SLM (Selective Laser Melting), o altre tecniche simili od assimilabili.
  2. 2. Procedimento come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di preparazione (11) dello stampo (111) prevede una sottofase (14) di preciso posizionamento, all'interno di detto stampo (111), di almeno un inserto di rinforzo (115) presentante mezzi di ancoraggio (120), in grado di consentire un voluto saldo posizionamento di detto inserto di rinforzo (115) all'interno di detto stampo (111), ottenuti durante la fase di realizzazione (15) dell'inserto di rinforzo (115).
  3. 3. Procedimento come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che durante la fase di realizzazione (15) dell'inserto di rinforzo (115) vengono realizzati canali, passanti o ciechi, o reciprocamente intersecanti, per favorire l'ancoraggio di detto inserto di rinforzo (115) all'acciaio colato durante detta fase di colata (12).
  4. 4. Procedimento come in una o l'altra delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che dette tecniche di sinterizzazione permettono di ottenere la fusione di elementi o composti presenti all'interno di detta polvere indurente (118), detta fusione generando carburi misti e complessi all'interno di detto inserto di rinforzo (115).
  5. 5. Getto in acciaio, per l'ottenimento di un elemento d'usura, fabbricato secondo un procedimento come ad una o l'altra delle rivendicazioni precedenti, avente una microstruttura ed una durezza eterogenee puntualmente posizionate, detta microstruttura e detta durezza essendo definite da almeno un inserto di rinforzo (115) integrato in detto getto in acciaio durante la colata dell'acciaio in uno stampo (111), caratterizzato dal fatto che detto inserto di rinforzo (115) Ã ̈ ottenuto con tecniche di sinterizzazione quali la EBM (Electron Beam Melting), o la SLM (Selective Laser Melting), o altre tecniche simili od assimilabili.
  6. 6. Getto come nella rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende carburi misti e complessi.
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