Domande e Risposte esame orale di Tecnologia meccanica

ATTACCHI DI COLATA

Sono delle sezioni trasversali di piccole dimensioni (canalizzazioni) che consentono la facile separazione del

getto solidificato dal sistema di colata.

PROBLEMI DI ASPIRAZIONE NEL DOMANDA 33

CANALE DI COLATA

Se il canale di colata è cilindrico A2=A3 e per l’equazione di continuità v2=v3, quindi l’energia cinetica è

costante

Poiché h2>h3 allora l’energia potenziale del fuso nella sezione 2 del canale è maggiore rispetto a quella nella

sezione 3. Per la conservazione dell’energia totale, energia di pressione in 2 è inferiore rispetto a quella in 3, si

crea una depressione che porta all’attrazione dei gas che si trovano nella forma, causando:

• reazione con il metallo fuso formando ossidi e scorie

• dissolvimento dei gas nel metallo fuso per essere liberati durante il raffreddamento (formazione di soffiature)

• formazione di bolle più o meno grandi intrappolate nel fuso Agendo sulla geometria del canale si

può ottenere:

ha ha a s

moltipli

(2)

Dove R è il rapporto tra le aree che permette di prevenire

l’aspirazione nella sezione 2.

verrà fuori che la forma ideale sia un tronco conico: 10/10/2023

FLUIDITÀ

Durante la colata il fuso cede calore alle pareti, raffreddandosi, variando così le caratteristiche del fluido, una

delle più importanti è la fluidità cioè l’attitudine del fuso a riempire la forma senza formazione di difetti (se T

↑

allora viscosità ma la fluidità).

↓ ↑

Difetti nel getto causati dabassa fluidità:

• riprese di colata (o a caldo): si generano quando in una zona del getto il fuso solidifica prima del completo

riempimento della cavità;

• il fuso, al raggiungimento della superficie già solidificata, si salda ad essa formando una discontinuità detta

ripresa di colata;

• mancanza di particolari: riempimento incompleto dovuto alla solidificazione prematura che impedisce il

riempimento di alcune parti della forma.

L’indice di fluidità viene ottenuto misurando la lunghezza del canale che

il fuso percorre in un sistema standardizzato prima di arrestarsi per il

progredire della solidificazione.

PARAMETRI DA CUI DIPENDE LA FLUIDITÀ

•1. La temperatura iniziale del fuso (grado di surriscaldamento)

rappresenta il fattore predominante sulla fluidità, determinando la quantità di calore dissipata prima dell’inizio

della solidificazione; se crescerà il grado di surriscaldamento allora aumenta il calore dissipato verso la forma

riducendosi il gradiente termico tra fuso e forma, di conseguenza il raffreddamento del fuso sarà più lento e

aumenterà la fluidità.

•2. Tipo di metallo o composizione della lega, avrò una fluidità diversa a seconda

del metallo colato. (Indice di fluidità delle leghe più basso rispetto a metalli che

lo costituiscono).

•3. Forma in termini di geometria, materiale e temperatura, perché la fluidità è

influenzata dal materiale, dalla temperatura iniziale, dagli spessori delle pareti

del getto ottenuto; posso diminuire la fluidità:

• con un materiale,della forma, ad elevata conducibilità termica (metalli);

• forme non pre riscaldate;

• forme con pareti sottili, visto che una parete più massiccia porterà ad un raffreddamento più lento.

Infatti nelle forme in terra, visto che la terra/sabbia hanno una bassa conducibilità termica, avrò una buona

fluidità visto che la velocità di raffreddamento è molto bassa.

TURBOLENZE

Variazioni incontrollate di velocità e direzione del fuso durante la colata, il loro sviluppo è favorito da elevate

velocità di colata. Se la forma è in terra il turbolenze provocano le illusioni della forma e l’intrappolamento di

gas, scorie, …..

Quantificate attraverso il numero di Reynolds:

Maggiore tendenza alle turbolenze al crescere di Re (Re<2000 laminare; Re>20000 forti

→regime →

turbolenze) Di solito si ha un Re compreso tra 2000<Re<20000 così da avere un regime misto con turbolenze

non dannose. SOLIDIFICAZIONE

12/10/2023

La solidificazione è la memorizzazione geometrica della forma, data dall’aggregazione tra atomi con formazione

di una struttura cristallina con livello energetico più basso (processo spontaneo) rispetto allo stato liquidò, la

cui disposizione degli atomi è descritta dalla cella unitaria che nel nostro caso possono essere C.C.C.,C.F.C. o

E.C.

Questa trasformazione liquido-solido avviene in due fasi:

1- NUCLEAZIONE formazione del liquidò piccolissimi cristalli chiamati nuclei, possiamo avere la nucleazione

→

omogenea quando è il metallo stesso ad essere responsabile della formazione dei nuclei, o la nucleazione

eterogenea, che avviene in presenza di un’interfaccia esterna (come le pareti della forma) determinando la

diminuzione dell’energia necessaria per la formazione dei nuclei (avrò dei grani più fini).

2- CRESCITA dei NUCLEI consentita da processi attivati termicamente e permettono una formazione dei

→

grani, più è alta la temperatura più crescono i nuclei.

Nel nostro caso preferiamo i grani fini perché portano ad avere resistenza meccanica , per incentivarne la

↑

formazione dobbiamo aumentare il numero dei nuclei così di conseguenza aumenta il numero dei grani,

diminuendo così la loro dimensione media visto che la dimensione media dei grani dipende dal numero dei

nuclei presenti nel liquidò.

Il singolo grano è anisotropo, ma il getto in generale e isotropo visto il gran

numero di grani che lo compone.

SOLIDIFICAZIONE DI UN METALLO PURO: un metallo puro raffreddato

in condizioni di equilibrio termico (caso ideale) si solidificherà a T costante,

cioè quando avverrà la completa asportazione di calore latente di

solidificazione, per poi avere una diminuzione della T quando tutto il

metallo fuso è solidificato. SOTTORAFFREDDAMENTO

Nel caso reale la solidificazione è più complessa, il fuso raffreddato al

raggiungimento della T di equilibrio liquido-solido continua a diminuire di T

senza che la solidificazione inizi, avrò quindi questo sottoraffreddamento

che è la differenza fra la T più bassa raggiunta dal liquidò durante il

raffreddamento e la T di equilibrio liquidò-solido.

Una volta raggiunta Ts, il fuso continuerà a raffreddarsi in fase liquida

fino ad arrivare ad un minimo relativo, da cui inizierà a solidificarsi,

questo perché gli atomi saranno descritti da un moto caotico avendo

così una bassa probabilità di trovarsi in posizione ordinata secondo lo

schema caratteristico del reticolo cristallino del solido, di conseguenza

avrò una formazione di aggregati di dimensioni insufficiente per

accrescimento del cristallo subendo una separazione degli atomi che

tornano nella massa liquida, solo in seguito avrò una diminuzione

dell’energia cinetica degli atomi con il progredire del raffreddamento,

aumentando così la probabilità di formazione dei nuclei, ma solo

quando avrò un numero sufficientemente grande di atomi riuscirò ad

assumere la configurazione tipica del reticolo cristallino sviluppando

così calore a causa della formazione dei legami, per poi raggiungere la

T di solidificazione.

Se l’asportazione di calore dovuta al raffreddamento è piccola, avrò un della T fino a raggiungimento di Ts, se è

↑

elevata allora la T diminuisce in modo continuo senza evidenziare il tipico arresto a Ts.

ENERGIE COINVOLTE NELLA

NUCLEAZIONE OMOGENEA

Trasformazione di stato liquido – solido spontanea quindi avrò una diminuzione dell'energia libera, dove i

termini principali che contribuiscono alla variazione dell’energia libera totale:

• variazione di energia libera di volume (ΔGv)→legata al volume del nucleo, ΔGv<0 poiché la transizione

liquido – solido comporta il rilascio di energia (calore di solidificazione)

• variazione di energia libera di superficie (ΔGs)→necessaria per formare la superficie delle nuove particelle,

ΔGs>0 poiché durante la solidificazione viene assorbita energia per creare le nuove superfici.

All’aumentare del raggio del nucleo:

• la variazione di energia libera di volume diminuisce con r 3

• la variazione di energia libera di superficie aumenta con r 2 Valore CRITICO

• l’energia totale cresce fino a un massimo per poi diminuire I

Il raggio corrispondente al valore max dell’energia libera

totale è il raggio critico del nucleo. ICRITICO I

A

Inversamente proporzionale al

7 *

sottoraffreddamento: "

DTY In

* GRAN

=*

Se = FINI

r* direttamente proporzionale al termine di superficie e inversamente a quello di volume

• r>r*: i nuclei continuano a crescere in quanto l’aumento delle loro dimensioni fa diminuire ΔG del sistema

• r<r*: nuclei ridisciolti in quanto ΔG diminuisce grazie al loro ridiscioglimento (embrioni)

• Valore della variazione di energia libera corrispondente al critico(ΔG*):

Sia r* che ΔG* diminuiscono all’aumentare del ΔT, poiché r*è

direttamente proporzionale ΔT-1 e ΔG*al ΔT-2, allora il ΔG* diminuisce più

rapidamente di r* al crescere di ΔT.

Formazione dei nuclei facilitata dall’aumento del sottoraffreddamento. 30141142

NUCLEAZIONE ETEROGENEA DOMANDA

Avviene mediante agenti (nucleanti) come le pareti del contenitore, impurezze insolubili e altri materiali,

diminuendo così la barriera energetica da superare per la formazione di nuclei stabili, così da avere più grani.

Tali agenti abbassano ΔGs rispetto a quella necessaria nel caso in cui il nucleo si formi nel liquido puro

(nucleazione omogenea) favorendola energeticamente rispetto a quella omogenea. Poiché ΔGs è più piccola, i

valori di ΔG* e r* saranno inferiori rispetto a quelli necessari nella nucleazione omogenea, inoltre il ΔT

richiesto per formare un nucleo stabile molto più piccolo rispetto alla nucleazione omogenea.

VELOCITÀ DI NUCLEAZIONE

• Rappresenta il numero di nuclei che si formano per unità di tempo e di volume:

• ΔG*: massima variazione di energia libera (variazione di energia

libera corrispondente al raggio critico)

• Q: energia di attivazione

• k: costante di Boltzmann

• T: temperatura assoluta

cresce con ΔT in quanto legato al • B: costante