Appunti parte di fonderia del corso Ironmaking and steelmaking

SCENARIO

Perché la tecnologia di fonderia è stata introdotta? Perché la tecnologia di fonderia è un settore sempre più in crescita per realizzare componenti metallici complessi, anche riducendo le operazioni meccaniche.

Andiamo ad inquadrare dove si posiziona questa tecnologia in base a quanto visto fino ad ora. Per realizzare un componente di qualsiasi metallo si parte sempre da materie prime solide: rottami, minerali e reducer. Si ottiene dal processo un metallo sempre fuso, che poi deve essere solidificato:

• Può essere solidificato con gas o acqua nebulizzata ottenendo polveri metalliche, poi sinterizzate e si ottengono così i prodotti sinterizzati. Solo per creare piccoli pezzi. (Non visto)
• Colata in lingotti e colata continua, visti con Dabalà e danno i così detti “Prodotti lavorati/finiti”. Anche in questo caso le forme che si possono ottenere non sono però molto complesse, anzi sono semplici.
• Fonderia: Il metallo liquido viene fatto solidificare in pani e venduto alle fonderie. Qui viene fatto rifondere e poi colata in stampi e così viene data a questi una forma. Questi getti comunque presi i così detti “getti” o “castings”. Il metallo fuso viene formato in un’unica operazione andando a minimizzare le operazioni meccaniche, in modo anche simile alle altre tecniche di iniezione delle plastiche. Si possono ottenere dei pezzi di forme molto complesse, che non possono essere ottenute con i processi visti sopra. Possono anche essere prodotti componenti di dimensioni molto grandi, con pesi che arrivano a tante tonnellate.

Vantaggi della fonderia:

• Forme complesse dei componenti;
• Sezioni con fori e cavità interne (non è possibile farlo partendo da un blocco semplice poi lavorato)
• Superfici irregolari e curve;
• È possibile realizzare parti molto grandi;
• Possono colare anche pezzi di materiali molto duri e diversi materiali, che è difficile lavorare quando sono già solidi;
• Processo molto versatile ed a elevata produttività, posso produrre tanti pezzi in tempi brevi.

È importante però andare a scegliere il processo di fonderia giusto, ne vedremo diversi, in base alle qualità del pezzo che si vogliono produrre: qualità della superficie, accuratezza dimensionale, produttività, costo dello stampo, in base al metallo di cui è fatto il pezzo, in base alla microstruttura che voglio ottenere e che garantisce proprietà meccaniche diverse al pezzo.

L’Europa ad oggi produce il 15% di tutti i getti prodotti e l’Italia dopo la Germania è il paese che ne produce di più. Cosa viene colato in getti? Principalmente ghise di vario tipo(grigie, duttili,

malleabili), prodotte in altoforno e poi non impiegate per produrre acciai, un piccola parte di acciaio, leghe di alluminio, leghe di magnesio, leghe di zinco, altre leghe non ferrose. Vengono realizzate principalmente componenti per Aviazione, Automotive, Industria Energetica (turbine in acciaio), industria elettronica( si usano molto le leghe di magnesio nelle componenti dei cellulari).

FONDAMENTI DI RIEMPIMENTO

(Filling Casting): Il riempimento dello stampo con il metallo liquido è la prima fase che bisogna affrontare nel processo di colata in fonderia.

INTRODUZIONE

(La COLATA) di metallo liquido senza operazioni intermedie. La COLATA è facilmente riconoscibile rispetto a altri processi in quanto è una tecnica che permette di realizzare la produ

Tecnologia di fonderia: produzione di articoli sagomati mediante colatura di metallo fuso negli stampi.

The flow of foundry technology:

3 FASI

1. Process selection
2. Design and specification
3. Determination of foundry technique
4. Moulding material preparation
5. Patternmaking
6. Furnace charge preparation
7. Moulding & coremaking
8. Metal melting
9. Filling
10. Solidification
11. Demoulding & fettling
12. Heat treatment & finishing
13. Inspection & testing
14. Finished casting

precedente inizia a svilupparsi alla prete, ma iniziamo anche ad avere la solidificazione sul fronte di flusso della fase primaria. Così il liquido può essere stoppato quando noi raggiungiamo una frazione critica di solido sul fronte di flusso e questo avviene prima che si incontrino i fronti solidi alla parete. Questa frazione di solido critica è quella definita in precedenza nell’equazione di Fleming. Quando questa frazione è circa 20-50% allora il solido che si forma va a stoppare il flusso di liquido.

Quindi abbiamo appena evidenziato perché la composizione del metallo incide sulla fluidità, nel senso che incide sul meccanismo di solidificazione. In più vediamo che la fluidità è quindi maggiore se ho un metallo puro e tende a ridursi andando ad aggiungere una certa percentuale di elementi in lega, finché non raggiunge nuovamente un massimo quando siamo in prossimità della concentrazione eutettica.

Inoltre come detto in precedenza ribadiamo che oltre ad esserci una linearità tra lunghezza di fluidità e spessore della sezione trasversale della cavità. Abbiamo anche una linearità tra lunghezza di fluidità e temperatura di colata, la cui pendenza ovviamente varia in base alla composizione del metallo.

Se consideriamo una certa lega con una certa composizione di elemento in lega e consideriamo la fluidità rispetto alla temperatura di colata, possiamo individuare la temperatura di colata per cui la fluidità è nulla ad esempio 600°. Se poi plottiamo la frazione di solido critica rispetto alla temperatura di colata, possiamo vedere che a 600 gradi questa frazione è proprio 0.2 come avevamo detto.

Quindi la frazione di solido che blocca la fluidità per questa lega è 0.2 e questo è il metodo che solitamente viene usato per individuare questo valore.

Come progettare il sistema di riempimento

Ora vediamo come progettare il sistema di riempimento per evitare turbolenze nel flusso ed evitare questi difetti.

Come avevamo detto in precedenza il migliore sistema di riempimento per evitare le turbolenze nel fuso metallico è quello dal basso della cavità, perché abbiamo anche la forza di gravità che si oppone alla forza di inerzia e allo sviluppo di turbolenze. Questo nella teoria, tuttavia è anche fondamentale una buona progettazione del sistema di riempimento, perché anche avere un riempimento dal basso non è abbastanza se la progettazione è fatta male e anche in questo caso si possono generare turbolenze.

Se vuoi avere un moto laminare del flusso, devi ben progettare il sistema di riempimento.

Abbiamo detto che le parti principali di un sistema di riempimento sono 4, andiamo quindi a vedere la corretta progettazione di ciascuna di queste.

Bacini di riempimento:

• Bacini conici: I bacini conici sono quelli non raccomandati in fonderia. Ne esistono diversi tipi.

1. Forse il meno dannoso. Quando versiamo il liquido metallico dalla siviera il liquido non sosta nel bacino, ma scorre direttamente nei canali. Inoltre con questo tipo di bacino abbiamo dell’aria che rimane intrappolata e viene trasportata attraverso il canale fino alla cavità dello stampo.
2. Abbiamo in questo caso il bacino che è più largo del canale sprue e questo crea una sporgenza che è pericolosa. Questa sporgenza dello stampo infatti tende ad essere erosa dal flusso metallico che scorre e pezzi dello stampo possono restare intrappolati nel flusso e quindi nel pezzo, che sarà un rottame.
3. Il bacino a tazza crea un angolo retto che di nuovo può essere una zona facilmente erosa dello stampo da parte del flusso metallico.
4. Abbiamo il bacino che è stretto dello sprue e genera un undercut/sottosquadro, che genera dei problemi durante l’estrazione del pezzo dallo stampo permanente.
5. Abbiamo in realtà un bacino collegato direttamente al canale di sprue e questo non va bene perché sostanzialmente andando ad accelerare il metallo prima di arrivare nei runner.

• Una configurazione migliore del bacino è quella in foto.
• In questa configurazione di bacino abbiamo un tratto orizzontale. L’intenzione di questo bacino è quella di arrestare il flusso di caduta del metallo, ma in realtà così andiamo solo ad annullare la componente verticale della velocità, mantenendo la componente orizzontale della velocità del flusso è praticamente incontrollata.
• Quindi, questa è configurazione migliore all’appropriato rientramento dello sprue, infine c’è la zona tratteggiata in cui il flusso entra a contatto della componente orizzontale della velocità del flusso e quindi abbiamo aria che viene trasportata e inglobata nel stampo. Quindi utilizzando una configurazione migliore del bacino con uno sprue, ma non di certo la migliore soluzione.