Leghe di Zinco da Pressofusione

Contenuto:

Other Languages:

Proprietà Meccaniche

 

Le proprietà meccaniche dei pressocolati in lega di zinco non dipendono soltanto dalla composizione chimica, ma anche dalle condizioni di fusione che influenzano il tasso di raffreddamento. Le condizioni che promuovono un raffreddamento rapido nello stampo restituiscono i valori più elevati di resistenza e durezza. Per questa ragione, le sezioni a parete sottile sono più resistenti di quelle a parete spessa. Le proprietà tensili nella tabella delle “Proprietà Nominali” proposta di seguito, rappresentano i valori tipici per un getto sano con uno spessore pari a circa 2mm. Le proprietà corrispondenti a diversi spessori possono essere prese in considerazione nelle tabelle successive. Tali valori “originali” sono misurati indicativamente da cinque ad otto settimane dopo la fusione. Le proprietà variano nel corso del tempo: molto lentamente a temperature ambiente, oppure più rapidamente a temperature elevate. Per le leghe ZP3, ZP5 e ZP8 la resistenza a trazione e la durezza diminuiscono, mentre l’allungamento aumenta. L’allungamento della ZP2 tende a diminuire durante le prime settimane o mesi d’invecchiamento a temperatura ambiente, periodo dopo il quale inizia lentamente ad aumentare.

Le performance delle leghe di zinco e di altri materiali comuni sono messe a confronto nella sezione “Confronto con Materiali Alternativi”.

Le proprietà nelle diverse tabelle sono state ottenute da una varietà di diversi studi utilizzando campioni dal design differente ottenuti in diverse condizioni. Nel confrontare i risultati ottenuti dalle molteplici raccolte di risultati bisognerebbe impiegare una certa cautela, a meno che i provini e le condizioni di test non siano identici. Tuttavia, nonostante le differenze tra le condizioni di fusione dei provini testati siano potenzialmente ampie, le resistenze a trazione immediatamente dopo la fusione hanno una corrispondenza sorprendente per i provini dallo spessore analogo. Si dovrebbe, in ogni caso, tenere presente il fatto che chi ha condotto i diversi studi abbia verificato il fatto che i campioni fossero “sani”. In concreto tutti i pressocolati in lega di zinco contengono qualche porosità, e “sano” non è pertanto un termine assoluto. Nella pressofusione dello zinco, la porosità ha una duplice origine. La prima è rappresentata dall’aria intrappolata che è impossibilitata ad uscire dal sistema costituito dai canali di colata e dallo stampo, poiché questi sono sigillati ermeticamente e riempiti dal metallo fuso in qualche millisecondo. La seconda è dovuta alle porosità da ritiro che si formano naturalmente nel momento in cui il metallo liquido solidifica contraendosi. A condizione che il livello di porosità sia compreso indicativamente tra l’1% e il 5%, e che le singole cavità siano molto piccole, questo fenomeno non indebolisce in modo significativo il materiale. La reale distribuzione della porosità è importante almeno quanto la sua percentuale nominale. Di conseguenza, i progettisti e gli stampatori di getti pressocolati  dovrebbero tentare di assicurare la compattezza in quelle aree ritenute critiche per la resistenza; la porosità in altre zone non è così importante, almeno non dal punto di vista dell’integrità strutturale.

Con l’introduzione della progettazione assistita da computer, si è prodotta una richiesta di specifiche più ristrette riguardanti le proprietà dei materiali. In passato valori nominali di resistenza erano considerati adeguati anche senza le specifiche inerenti alle dimensioni del provino ed alle condizioni di test. La conseguenza di quest’evoluzione è che le leghe di zinco da pressofusione e molti altri materiali sono adesso sottoposti ad una rivalutazione tecnica. Nelle tabelle sottostanti sono mostrati in grassetto i valori di quelle proprietà legate a test effettuati in condizioni perfettamente specificate.

Poiché lo zinco è un materiale bassofondente, è probabile che i getti in lega di zinco siano soggetti al fenomeno di scorrimento viscoso (definito come la deformazione che avviene sotto carico costante per tempi sufficientemente lunghi). Gli effetti di questo fenomeno devono essere adeguatamente considerati se i pressocolati sono sottoposti a condizioni di carico prolungato, specialmente a temperature elevate. La resistenza allo scorrimento delle leghe ZP8 e ZP2 è superiore rispetto a quella della ZP5, a sua volta maggiore della ZP3. Nella sezione Proprietà a Creep sono riportate le informazioni che permettono di stimare la quantità di deformazione da scorrimento che si verifica su di un pressocolato sotto un determinato set di carichi, temperatura e parametri di progetto.

Riferimento 2

Valori Nominali delle Proprietà Meccaniche

Condizioni immediatamente successive alla pressofusione, temperatura di test 20oC. I valori delle proprietà collegate ai test perfettamente definiti sono mostrati in grassetto.

Designazione Abbreviata della Lega ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
Resistenza a Trazione MPa (5)

(3)

308
283
331
328
397
359
387
374
Allungamento a Rottura % (5) 5.8 3.4 6.0 3.4
Allungamento a Fmax % (5) 2.3 3.1 2.2 2.5
Carico di Snervamento (0.2% offset) MPa (5)

(3)

268
221
295
228
361
NA
319
320
Coefficiente di Poisson (6) 0.29 0.29 0.29 0.29
Resistenza a Taglio MPa (3) 214 262 317 275
Durezza Brinell (306.5-2.5-15) (5)

Durezza Brinell (500-10-30) (3)

97
82
114
91
130
100
110
103
Resilienza Joules (barra 6.3mm x 6.3mm) (5)

(barra 6.3mm x 6.3mm) (1)

46
58
52
65
38
48
NA
42
Modulo di Young GPa (Istantaneo) (6)

(4)

96
85
96
85
96
85
96
85
Carico di Snervamento a Compressione (0.1% offset), MPa (3) 414 600 641 ~600
Resistenza a Fatica, 5x108 cicli, MPa (3) 48 57 59 51.5

Riferimenti:

(3) Engineering Properties of Zinc Alloys
International Lead Zinc Research Organization, Inc. Third Edition August –1988
(4) DeZign (025)
(5) Umicore R&D
Condizioni del test di trazione: spessore dei provini 1.5 mm, raffreddati in aria, invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm.
Velocità di test 10mm/min, temperatura 20°C, media di 10 test.
I test di durezza sono stati eseguiti sulla superficie di un getto-provino spesso 1.5mm.
(6) Umicore R&D/Brescia Univ.

Curve Sforzo/Deformazione

ima01
Riferimento 5

Proprietà Meccaniche/Temperatura di Test

Resistenza a Trazione (MPa) in Funzione della Temperatura di Test (°C)
Spessore 1.5 mm, Invecchiamento 8 settimane, Lo 70mm,
Velocità di test 10mm/min, Provino raffreddato in aria

Temperatura oC ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
80 218 232 296 260
60 260 277 338 308
40 293 317 376 356
20 308 331 397 387
0 340 347 431 406
-20 345 365 449 412
-40 360 368 443 422

La tabella superiore è rappresentata nel grafico proposto di seguito:

ima02

Riferimento 5

Effetto della Temperatura di Test sulle
Proprietà Meccaniche delle leghe ZP3 e ZP5

Proprietà Temperatura oC ZP3 ZP5
UTS MPa 95 200 250
40 250 300
20 280 340
0 300 380
-40 320 380
Allungamento % F rottura 95 15 12
40 8 6
20 5 4
0 4.5 4
-40 2.5 1.5
Resilienza J/cm2 barra squadrata 6.18mm

senza intaglio

95 135 143
40 140 150
20 140 145
10 100 135
0 25 130
-10 11 60
-20 8 12
-40 7 8
Resilienza J/cm2 barra squadrata 6.18mm

intaglio a V 2mm 45o

70 11 12
20 2.9 4.1
0 1.7 2.2
-25 1.4 1.5
-55 1.2 1.1
Durezza VPN 95 43 62
40 68 89
20 82 90
0 82 100
-20 87 105
-40 91 107

Riferimento 7

Effetto della Temperatura di Test sulle
Resilienze delle Leghe ZP3, ZP5 e ZP2

Proprietà Temperatura oC ZP3 ZP5 ZP2
Resilienza J/cm2
barra squadrata 6.35mmsenza intaglio (0.40cm2)
80 112 103 116
40 106 111 104
20 116 131 96
0 44 130 55
-10 25
-20 11 13 13
-40 6 6 5
Resilienza J/cm2
barra squadrata 6.35mm
intaglio a V 2mm 45o
80 13.3 13.6 12
40 11.5 10.9 8.2
20 5.1 6.9 4.2
0 2.4 2.4 3.2
-20 2.1 1.6 1.75
-40 1.6 1.1 1.5

Effetto della Temperatura di Test sulle Resilienze delle
Leghe ZP3, ZP5 e ZP2

barra squadrata 6.35mm senza intaglio (0.40cm2)

ima03

barra squadrata 6.35mm con intaglio a V 2mm 45o

Riferimento 5

Proprietà di Trazione/Spessore di Parete

Resistenza a TRazione (MPa) in Funzione dello Spessore di Parete

ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
0.76mm Appena Colato 333 374 416 421
Invecchiato 296 327 345 394
1.52mm Appena Colato 301 337 387 374
Invecchiato 274 301 356 360
2.14mm Appena Colato 276 312 353 369
Invecchiato 251 275 329 353

Invecchiato = 4 ore a 100oC

Riferimento 3

Lega ZP3, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore 0.2% Carico di Snervamento MPa σ UTS MPa σ Allungam. %

F rottura

σ Allungam. % F max σ
0.75mm (200C) max 295 6.22 337 5.74 10.4 1.53 2.72 0.24
min 276 317 6.36 2.01
1.5mm (200C) max 272 5.65 312 4.37 8.15 1.59 2.40 0.1
min 253 296 4.22 2.16
3mm (200C) max 225 2.8 292 5.9 8.75 2.2 4.7 0.8
min 216 270 2.23 2.1

s = deviazione standard

Lega ZP3, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore 0.2% Carico di Snervamento MPa σ UTS MPa σ Allungam. %

F rottura

σ Allungam. % F max σ
0.75mm (200C) max 342 4.6 387 4.7 4.4 0.7 2.4 0.2
min 327 371 2.0 1.7
1.5mm (200C) max 303 7.0 336 3.1 5.05 1.05 4.46 0.88
min 288 317 2.17 2.07
3mm (200C) max 280 2.9 333 8.2 7.1 1.6 6.5 1.4
min 272 311 1.8 1.7

s = deviazione standard

Lega ZP2, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore 0.2% Carico di Snervamento MPa σ UTS MPa σ Allungam. %

F rottura

σ Allungam. % F max σ
0.75mm (200C) max 338 15.4 430 14.8 9.5 2.4 1.8 0.2
min 336 386 1.6 1.1
1.5mm (200C) max 378 9 403 4 8.51 1.3 4.84 1.4
min 351 392 4.10 1.2
3mm (200C) max 330 7.4 376 10.8 4.5 2.6 4.3 1.2
min 313 345 1.0 1.0

s = deviazione standard

 Lega ZP8, Proprietà di Trazione in Funzione dello Spessore di Parete
Provini raffreddati in aria, Invecchiati 8 settimane, Lo 70 mm, Velocità di test 10 mm/min, 10 test

Spessore 0.2% Carico di Snervamento MPa σ UTS MPa σ Allungam. %

F rottura

σ Allungam. % F max σ
0.75mm (200C) max 357 11 430 7 6.2 1.1 2.0 0.1
min 329 408 2.2 1.7
1.5mm (200C) max 331 7 397 5 4.2 0.5 2.8 0.2
min 307 378 2.5 2.2
3mm (200C) max 304 16 357 13  3.3 0.6 3.0 0.6
min 251 318 1.4 1.4

s = deviazione standard

Riferimento 5

I valori della resistenza nelle quattro tabelle superiori sono rappresentati nei grafici seguenti:

ima05

Effetto dell’Invecchiamento a Temperature Ambiente ed Elevate

Effetto dell’Invecchiamento a Temperatura Ambiente sulla Resistenza a Trazione (MPa)
Spessore 1.5 mm, Lo 70 mm, Velocità di test 10mm/min

Time ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
8 settimane 308 331 397 387
3 anni 281 314 471  
4 anni 281 320 477  
5 anni 282 314 474  
10 anni   293    
12 anni       314
13 anni     356  
14 anni 274      

Riferimento 5

I dati nella tabella superiore sono rappresentati nel grafico proposto di seguito:

ima06

Effetto dell’Invecchiamento a Temperatura Elevata

Proprietà dopo 10 Giorni a 95oC, testate a 20oC
Lo 70 mm, Velocità di test 10mm/min, Spessore del provino 1.5mm

Designazione Abbreviata ZP3 ZP5 ZP2 ZP8
Resistenza a Trazione MPa 271 291 326 303
Carico di Snervamento (0.2% offset) 218 241 249 230
Allungamento % F rottura 8.6 7 1.5 6.1
Allungamento % F max 2.6 3.8 1.5 2.4
Durezza Brinell (500-10-15) 74 83 97  

Riferimento 5

Le cifre nella tabella superiore sono rappresentate nei grafici proposti di seguito:

ima07

ima08

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ima09

ima10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ima11

ima12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Effetto dell’Invecchiamento a Temperatura Ambiente sulla
Resistenza a Trazione (Mpa) di ZP3 e ZP5 in Funzione della Temperatura di Test

Temperatura

di Test

oC

ZP3 ZP5
Invecchiata

6 mesi

Invecchiata

3 anni

Invecchiata

6 mesi

Invecchiata

3 anni

70 207.5 205.5 255.1 246.8
20 268.9 261.3 316.5 304.1
0 290.3 284.1 338.5 330.3
-25 310.3 302.7 356.5 347.5
-55 330.3 324.1 358.5 355.1

Riferimento 3

Durezza Vickers delle Leghe Elencate in Funzione del
Tempo d’Invecchiamento a 100°C per Tre Diversi Spessori

ima13ima14

ima15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riferimento 3

ima16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riferimento 8

ima17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Riferimento 8

Proprietà a Creep

Lo scorrimento viscoso è definito come la deformazione dipendente dal tempo che ha luogo sotto un dato carico costante. E’ possibile distinguere fra tre stadi di scorrimento.

ima18

 

  1. Scorrimento primario -la deformazione si verifica con una velocità che tende a diminuire
  2. Scorrimento secondario -la velocità di deformazione presenta un minimo ed è pressoché costante.
  3. Scorrimento terziario -la velocità di deformazione aumenta sino a giungere, di solito, a rottura.

Il comportamento a creep delle leghe di zinco è una funzione non lineare dello sforzo, della temperatura di servizio e del tempo d’applicazione. Quando le leghe di zinco sono sottoposte a carichi continui per un periodo di tempo considerevole devono essere utilizzate, per predire in modo accurato il comportamento dello scorrimento di ciascuna lega, le relazioni empiriche matematiche tra l’allungamento, lo sforzo, il tempo ad un dato carico e la temperatura di servizio. Il modulo di Young per una lega, definito come lo sforzo diviso per la deformazione, è spesso utilizzato nei calcoli di progettazione. Per le leghe di zinco, il valore del modulo dipende dallo sforzo, dalla velocità di deformazione e dalla temperatura, ed è determinato attraverso test di trazione di breve durata. Il valore del modulo elastico è valido soltanto per le condizioni di sforzo, velocità di deformazione e temperatura in cui è stato misurato. Quando sono disponibili le curve che rappresentano la relazione sforzo/deformazione nel breve periodo, è possibile determinare facilmente il modulo elastico così da stimare le deformazioni elastiche. In ogni caso, sotto carichi applicati per lungo tempo, le leghe di zinco evidenziano un allungamento irreversibile aggiuntivo, e per stimare le deformazioni conseguenti a determinati sforzi è richiesto l’uso di opportune formule, come specificato più avanti in questa sezione.

Il comportamento a scorrimento viscoso delle leghe ZP3 e ZP8 con sezione di parete pari a 2 mm può essere modellizzato mediante l’equazione riportata di seguito. Essa è valida per valori di temperatura nel campo che va da 25° C a 120° C. La formula, che mette in relazione lo sforzo massimo di progetto s (MPa), la temperatura T (K), il tempo vita di utilizzo t (s) e la deformazione, è stata ricavata come:

Ln σ = C’+Q/RT – Ln t
n

dove : n è l’esponente dello sforzo = 3.5
Q è l’energia di attivazione = 106kJ/mol
R è la costante dei gas = 8.3143 x 10-3 kJ/mol °K
C’ = è una costante calcolabile che varia con la deformazione per ogni lega (come mostrato di seguito

Utilizzando quest’equazione è possibile calcolare le combinazioni ammissibili di sforzo, temperatura e vita a creep per ogni deformazione compresa tra 0.2% e 1%. Essa è valida per sforzi fino a 50 MPa e temperature fino a 120°C. Si è osservato inoltre che restituisce dei tempi relativi ad un dato allungamento che concordano con tutti i dati sperimentali conosciuti.

ima19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’entità dello scorrimento viscoso, nella maggior parte dei sistemi di leghe, può essere molto irregolare. Lo zinco non fa eccezione, e campioni apparentemente identici possono avere variazioni della vita media a creep (o della deformazione) anche di una o due volte. Pertanto, a seconda che la vita a scorrimento sia determinata a partire da test reali od utilizzando la formula empirica descritta in precedenza, dovrebbe essere impiegato un coefficiente di sicurezza addizionale pari ad almeno 2 così da tenere conto di simili variazioni

Temperature di servizio elevate danno luogo all’invecchiamento di tutte le leghe di zinco. Quando si è studiato l’effetto dell’invecchiamento a temperatura ambiente sulla resistenza allo scorrimento viscoso per la lega 3, si è scoperto che la resistenza diminuiva in entrambi i casi. L’esecuzione di test con carichi elevati ha mostrato che la resistenza allo scorrimento decresceva del 16% sia nel caso di un invecchiamento a temperatura ambiente per due anni, che nel caso di un riscaldo compreso tra 75°C e 95°C per la durata di tre giorni. Si è pertanto suggerito di applicare un fattore di 0.8 per valori dello sforzo ammissibile calcolati secondo l’equazione illustrata.

Le velocità dello scorrimento viscoso per la lega ZP5, fino a 100°C, possono essere valutate utilizzando i grafici riguardanti la ZP3 mostrati in questa sezione ed aggiungendo 10°C alle temperature date. Ciò significa che la ZP5 presenta un comportamento approssimativamente equivalente alla ZP3, ma a temperature superiori di circa 10°C.

Un test limitato di scorrimento viscoso cui è stata sottoposta la lega ZP2, indica che il suo comportamento è equivalente alla ZP8. La ricerca sta proseguendo per identificare la costante C’ in funzione delle curve di deformazione per le leghe ZP5 e ZP2.

Riferimento 3 e riferimento 2

Learn the latest about Zinc. Sign Up.

  • This field is for validation purposes and should be left unchanged.