Appunti di Tecnologia meccanica

Proprietà chimiche dei materiali

Dal punto di vista chimico, i materiali che interessano l’industria meccanica si dividono in:

• Metalli: buoni conduttori di calore ed elettricità, lucenti, con comportamento plastico e alta resistenza meccanica.
• Non metalli: cattivi conduttori di calore ed elettricità.
• Leghe metalliche: costituite da uno o più elementi di cui almeno uno è un metallo presente in proporzione maggiore rispetto agli altri elementi.

Leghe metalliche

Tra le leghe in particolare citiamo:

• Ottone: lega metallo-metallo (rame e zinco).
• Acciaio: lega metallo-non metallo (acciaio e carbonio).

Proprietà dei metalli

Le proprietà dei metalli si dividono in:

• Proprietà chimico-strutturali: natura chimica e struttura del metallo, modalità di reazione tra il metallo e l’ambiente esterno.
• Proprietà fisiche: caratteristiche di base in relazione ad agenti esterni come massa volumica, calore specifico, degradazione termica.
• Proprietà meccaniche (già spiegate).
• Proprietà tecnologiche (lavorazioni).

I diagrammi di equilibrio

Rappresenta le varie fasi di equilibrio di una lega al variare di temperature e percentuali in peso dei componenti. Il diagramma è l’insieme delle linee che delimitano le regioni dell’esistenza dell’equilibrio delle fasi di un sistema eterogeneo.

Sistema eterogeneo: massa di materiale costituito da fasi omogenee.
Sistema omogeneo o fase: massa che ha in ogni suo punto uniformità di proprietà fisiche individuabile e separabile con mezzi fisici.

Un sistema è in equilibrio quando le sue fasi sono costanti. L’equilibrio di un sistema metallico è funzione della sola temperatura (pressione atmosferica e concentrazione costante).

Sistemi a temperatura

In merito alla temperatura è possibile definire due tipi di sistemi, uno a temperatura costante (sistema invariante) e a temperatura variabile (sistema variante).

La legge di Gibbs

V = n + 1 - f determina la varianza di un sistema metallico.
V: gradi di libertà del sistema
n: numero dei costituenti semplici o dei composti
f: numero delle fasi

Il termine “1” è una costante dovuta alla pressione costante, poiché varia solo la temperatura.

Applicazioni dei diagrammi di stato

• Desumere gli elementi strutturali che formano la lega a temperatura ambiente.
• Conoscere le origini degli elementi strutturali.
• Analizzare le cause delle anomalie.
• Analizzare le variazioni strutturali in funzione della temperatura di lega a concentrazione costante.
• Interpretare i fenomeni relativi ai trattamenti termici.

I diagrammi di equilibrio sono modelli sperimentali.

Comportamento dei costituenti

• Solubilità allo stato liquido: costituenti solubili o insolubili a qualsiasi composizione.
• Solubilità allo stato solido: costituenti solubili o insolubili a qualsiasi composizione, possono essere solubili per una certa gamma di composizioni e insolubili per le rimanenti.
• Trasformazione allo stato solido: costituenti solubili oppure insolubili per gamme parziali o totali della composizione.
• Formazione di composti intermetallici e intermedi: solubili o insolubili allo stato liquido nei costituenti allo stato elementare.

Analisi termica

Riscaldare o raffreddare il sistema e rilevare la funzione tempo-temperatura. Si utilizza la curva di raffreddamento. Ad ogni cambiamento di stato corrisponde uno sviluppo o assorbimento di calore (calore di trasformazione). I composti puri solidificano a temperatura definita. Le miscele solidificano in un intervallo di temperatura.

È possibile identificare nel grafico la linea di liquidus (inizio solidificazione) e la linea di solidus (fine solidificazione).

È importante definire:

• Punto eutettico: dove coesistono in uguale composizione il cristallo e il liquido.
• Punto etettoide: come eutettico ma comprende tutte le fasi solide.

Per le leghe binarie definire la percentuale di A e B nella zona bifase è possibile tracciando una retta orizzontale che interseca le due linee di stato e poi in quel punto una perpendicolare. Si va dunque a leggere il valore percentuale. Per calcolare invece la percentuale solida e la percentuale liquida si fa riferimento alla regola della leva.

Nelle leghe metalliche, in quanto sistemi bifasici, la curva di raffreddamento segue la legge connessa alla miscibilità delle due sostanze.

La lega stagno e piombo è una lega binaria con costituenti solubili allo stato liquido e in parte solubili allo stato solido (miscibilità incompleta allo stadio solido). Alle due estremità si hanno delle regioni monofase. Nel punto eutettico si hanno 3 fasi ⇒ V=0. Dopo la linea di liquidus si formano i primi nuclei di grani alpha o beta. In questa zona il liquido è detto proeutettico. Sotto la T eutettica si ha alpha e beta che vengono calcolati secondo la regola della leva.

Lega binaria o siderurgica (ferro e carbonio)

Il diagramma considera le leghe con percentuale di carbonio fino al 7%. Le leghe con tenore di carbonio fino al 2% sono dette acciai così suddivisi:

• Ipoeutettoidi (carbonio fino al 0.8%)
• Ipereutettoidi (carbonio dall’ 0.8% al 2%)

Le leghe con tenore di carbonio oltre il 2% sono dette ghise così suddivise:

• Ipoeutettoidi (carbonio fino dal 2% al 4.3%)
• Ipereutettoidi (carbonio oltre il 4.3%)

Le linee del diagramma rappresentano le posizioni dei punti critici teorici (temperature delle trasformazioni strutturali). I punti critici di raffreddamento e riscaldamento (punti sperimentali) coincidono per una data temperatura in un unico punto. I costituenti (stabili) e gli aggreganti strutturali sono:

• Ferrite
• Perlite
• Ledeburite
• Austenite
• Cementite

Acciai con basso tenore di carbonio avranno cristalli costituiti da ferrite. La presenza di cementite aumenta con l’aumentare del carbonio. Acciai con tenore di carbonio uguale a 0.8% sono costituiti totalmente da cristalli di perlite.

Trattamenti termici

I trattamenti termici sottopongono il materiale a cicli termici modificando le caratteristiche tecniche del materiale, cambiando la struttura dei cristalli della lega. Ogni cambiamento di struttura implica diverse proprietà meccaniche. I trattamenti termici sono:

1. Normalizzazione
2. Ricottura
3. Tempra
4. Rinvenimento

Normalizzazione e ricottura sono simili perché si avvalgono di raffreddamenti lenti e portano di norma a ferrite e cementite.

Normalizzazione

Si effettua con temperatura e velocità di raffreddamento superiore a quella della ricottura. È eseguita su pezzi lavorati a caldo o provenienti da fusione. Trattamento utilizzato per annullare eventuali disuniformità predisponendo l’acciaio ai trattamenti termici finali.

Ricottura

Addolcisce l’acciaio e facilita la lavorazione meccanica successiva. I cicli di ricottura variano in relazione alla durezza desiderata per la lavorazione successiva.

Tempra

Consiste in raffreddamenti veloci tra due livelli termici bloccando le fasi di equilibrio al livello termico superiore. Queste fasi devono essere diverse da quelle associate al livello termico inferiore. Condizioni di metastabilità: quando in un materiale temprato avviene il blocco di fasi che non sono all’equilibrio. La tempra determina l’insorgere di strutture martensitiche che portano a modificazioni delle caratteristiche dell’acciaio e garantiscono carichi di rottura maggiori (maggiore durezza).

Rinvenimento

Consiste nel riscaldamento dell’acciaio e in un raffreddamento fino a temperatura ambiente. Elimina le tensioni prodotte nel manufatto dal raffreddamento veloce. Il rinvenimento a temperature alte (500°C) modifica le strutture martensitiche diminuendo la durezza del materiale.

I processi tecnologici con conservazione della massa

Le principali tecniche di fusione:

• Tecniche di fusione permanenti
• Tecniche di fusione non permanenti o transitorie

Tecniche di fusione in forme permanenti

Forma realizzata in lega metallica (acciai legati, ghise speciali) con temperatura di fusione maggiore di quella di colata. Si possono utilizzare tali leghe per un numero elevato di getti uguali. Costi iniziali elevati, ma possibilità di realizzare una produzione in serie, questa tecnica è applicabile a pezzi di dimensione medio-piccola. Le forme utilizzate si chiamano conchiglie ed hanno superfici di separazione tra le semiforme per permetterne l’apertura. La struttura cristallina dei getti è particolarmente fine. La resistenza meccanica è avvantaggiata per effetto del rapido scambio termico tra la forma (in materiale metallico) e la lega fusa. I getti sono di elevata qualità (finitura superficiale, precisione dimensionale). L’assenza di porosità della forma richiede la presenza di canali di sfogo per evitare le soffiature o cricche.

Le caratteristiche della lega da utilizzare per questa tecnica sono:

• Colabilità: capacità di riempire zone della conchiglia particolarmente sottili senza solidificare prematuramente.
• Temperatura di colata: non deve essere troppo elevata per non danneggiare la conchiglia e deve avere una durata nel tempo limitata.

Le tecniche di colata in forma permanente utilizzate sono:

• Colata per gravità
• Colata in bassa pressione
• Colata ad alta pressione (pressofusione)
• Colata centrifuga

Tecniche di fusione in forme transitorie

È possibile classificare questa tecnica di fusione in base a diverse specifiche:

• Tecnica: la più importante è la colata in sabbia o terra naturale, questa è composta al 90% di terra refrattaria (silice) al 7% di argilla come elemento legante e al 3% di H₂O.
• Procedimenti:
  • Meccanico: può avvenire per opera di un pistone in terra sintetica in verde o in sabbia o in fossa.
  • Chimico: in questo caso i componenti della forma si attivano per temperatura o per reazione chimica, processi come a CO₂, a sabbia-cemento o cold box.
  • Termico: viene cotta la forma per indurirla, processi come: shell molding o la microfusione.
• Le forme:
  • Scomponibile: utilizza il modello in legno verniciato che imprime la forma della cavità nella terra da fonderia. Può essere utilizzato in due modi:
    • Prima posiziono la terra e poi faccio lavorare il modello, tecnica a semiforme contemporanee.
    • Tecnica della piastra-modello in metallo: realizzo le due semiforme separatamente. Il campo di forze è quello gravitazionale, bisogna fare attenzione a forze elevate che danneggiano la forma.
  • Non scomponibile: il modello è in cera, plastica, plastilina o polistirolo e viene utilizzato per modellare la sabbia (silice molto fine). Si dovrà poi valutare il metodo più corretto per sciogliere il modello. Il caso più noto è quello della microfusione.

Una volta deciso il tipo di forma si deve valutare il processo per fornire calore ed effettuare la fusione più corretto.

Forni e dispositivi

Bruciatore che fornisce calore all’interno della camera in cui vengono posti i rottami di ferro. Raggiunto lo stato liquido, il metallo fuso viene colato nelle forme. Bruciatore costituito da elettrodi lunghi 4-5 m con diametro di 300 mm. Si generano degli archi voltaici che attraverso il rottame in ferro ne provocano la fusione per effetto Joule. Il processo di fusione avviene senza sbalzi di temperatura che danneggerebbero il materiale refrattario.

Per effettuare una colata bisogna considerare dei dispositivi fondamentali: la forma, il modello, le anime per generare le cavità necessarie senza soqquadro, il sistema di colata e materozze (coibentate o riscaldate) che tengano in considerazione dei potenziali ritiri del getto in fase liquida.

Progettazione, sformatura e modelli

In fase di progettazione bisogna definire il piano di divisione della forma per poter procedere all’estrazione del modello o del getto dalla stessa. Parti in sottosquadro: sono le parti di modello o di getto che in fase di estrazione potrebbero rovinare la forma. Esistono infinite soluzioni tante quante i possibili piani di divisione del modello che risolvono il problema del sottosquadro senza variare il progetto. Se questo non fosse possibile si ricorre a diversi metodi:

• Metodo a tasselli: si usano dei tasselli preparati separatamente. I tasselli consistono in anime montate a sbalzo nella forma e inseriti nelle cavità ottenute prevedendo idonee portate d’anima sul modello. È il metodo più usato quando non si può eliminare il sottosquadro con una diversa scelta del piano di divisione.
• Modello scomponibile: questo metodo consiste nel realizzare la parte in sottosquadro del modello. Si opera in modo che durante la sformatura la seconda parte del modello viene estratta normalmente, mentre la prima, rimasta dentro la forma, viene estratta con un’operazione delicata e costosa.
• Lavorazioni successive: si procede a ottenere il pezzo finito dopo lavorazioni per asportazione di truciolo. Si deve considerare il sovrametallo per fornire materiale da eliminare.

L’estrazione del getto si definisce sformatura, si cerca di evitare superfici piane perpendicolari a piano di divisione e si fanno degli angoli di sformo per facilitare l’operazione. Bisogna fare attenzione agli spigoli vivi poiché in quel punto si concentrano le tensioni e in quel punto possono. In base a come è posizionata l’anima si devono avere alcuni accorgimenti:

• Anime orizzontali: prive di spigoli vivi e lunghezza tale da non generare deformazione sul pezzo a causa delle spinte metallo-statiche.
• Anime a sbalzo: portate d’anima devono essere più lunghe e il baricentro dell’anima deve trovarsi all’interno del supporto che la sorregge.
• Anime verticali: portate d’anima sono troco-coniche e elevato angolo di sformo per agevolare il loro posizionamento nella forma.

La solidificazione

Per studiare il fenomeno si fa Hp di metallo puro con T di solidificazione costante, inoltre si considera il processo come isotermo tranne quando si hanno due elementi miscelati. È possibile definire il calore scambiato con la forma con la seguente relazione: Q scambiato con la forma = H + Q dovuto a (T - T₀) + Q dovuto a (T - T_AMBO).

Ora andiamo a valutare lo spessore che si solidifica nel tempo:

Definiamo prima alcuni parametri:

• γ’: peso specifico del metallo solidificato
• d: spessore del metallo solidificato nel tempo t
• Q_f: calore latente di solidificazione specifico
• λ: conducibilità termica del metallo liquido
• c: calore specifico
• T₀: temperatura della forma iniziale e dell’ambiente
• T₁: temperatura di solidificazione
• α: diffusività termica del metallo liquido = λ/γ c
• q: costante di solidificazione

Si vede che lo spessore d è direttamente proporzionale a (T₁ - T₀) e alla conducibilità λ ed inversamente proporzionale a Q_f, γ’ e alla radice quadrata di α (diffusibilità termica del metallo liquido). Inoltre d cresce con la radice quadrata di t tramite un fattore di proporzionalità q che tiene conto delle caratteristiche del sistema.

Si può anche scrivere che: allora il tempo è proporzionale al quadrato dello spessore, quindi per raddoppiare d si deve quadruplicare t.

Considero una lastra piana

V: volume di solidificato
S: la superficie di scambio termico

Definiamo quindi la Legge di Chvorinov: in alternativa si può integrare l’equazione di Fourier mediante metodi grafici. Conoscendo il tempo di solidificazione si può procedere alla colata (tempo di colata) in sicurezza senza che il fronte di solidificazione interrompa la colata stessa. Questi valori sono importanti per poi valutare il posizionamento delle materozze, le quali compensano l’eventuale ritiro metallico.

Dimensionamento e posizionamento delle materozze

Generalità

Il canale di colata è conico verso il basso con un bacino per eliminare vortici, turbolenze e consente un flusso laminare in colata. Inoltre può essere presente un filtro per trattenere le scorie. Possono essere di 3 tipi:

• A sorgente dal basso
• Dal basso tangenziale
• A pettine

Le materozze servono per alimentare il sistema di colata, ne esistono di due tipi:

• Cieca: chiusa nella sommità, l’aria calda intrappolata spinge il fluido verso il basso grazie all’aumento di pressione.
• A cielo aperto: sfrutta il principio dei vasi comunicanti e permette l’eliminazione dei gas che si generano durante la colata.

La scelta è dettata dalla posizione della materozza, per espellere i gas inoltre la forma viene forata con degli spilli creando dei forellini. Nel getto il passaggio dallo stato liquido allo stato solido e il suo raffreddamento possono generare dei ritiri, che avvengono in 3 modi:

• Liquido-liquido (1/1.5 %)
• Liquido-solido (3/4 %)
• Solido-solido (6 %)

Si deve quindi valutare il ritiro lineare medio, influenzato dalla dimensione del getto e dal tipo di metallo. Generalmente si compensa questo fattore sovradimensionando il modello, mentre per il ritiro che riguarda la fase liquida può essere compensato con le materozze.

Dimensionamento e posizionamento

Il procedimento da seguire è:

1. Stabilire una logica direzionale di solidificazione (da spessore minore a spessore maggiore).
2. Inserire la materozza in modo da spostare in essa il baricentro termico.

La solidificazione richiede un gradiente termico che, senza interruzioni, deve portare la solidificazione delle parti con modulo termico più basso così da terminare nella materozza. Abbiamo in questo modo definito la direzione di solidificazione.