Appunti di Tecnologia Meccanica 1

Appunti di tecnologia meccanica

Appunti scritti da Daniel Sioni

Fondamenti della colata nei metalli – Capitolo 6

La colata

La colata è un processo in cui il metallo fuso fluisce sotto l’azione della forza di gravità in uno stampo dove solidifica e prende la forma della cavità dello stampo stesso. Il componente realizzato mediante colata è detto grezzo o getto. Procedimento molto semplice: si fa fondere il metallo, lo si versa in uno stampo e lo si lascia raffreddare e solidificare. Il termine lingotto è riferito alle industrie dei metalli primari, si riferisce a una colata di grosse dimensioni e forma semplice, che richiede successive rifiniture. La colata di grezzi si riferisce, invece, alla produzione di geometrie più complesse che sono molto più vicine alla forma finale.

Vantaggi e svantaggi della colata

• Vantaggi della colata:
• Può essere utilizzata per creare forme complesse, sia esterne che interne
• Alcuni processi possono realizzare prodotti net shape oppure anche near net shape
• Può essere utilizzata per produrre pezzi di grandi dimensioni e elevato peso
• Processo che può essere eseguito su ogni metallo che possa essere trasformato in stato liquido
• Alcuni metodi di colata sono adatti alla produzione di massa
• Svantaggi:
• Limite sulle proprietà meccaniche
• Tensioni termiche di ritiro e residue
• Limite sulla porosità
• Scarsa precisione dimensionale e finitura superficiale
• Rischi per la sicurezza dell’uomo durante la lavorazione
• Problematiche ambientali ed energetiche

Nella colata la forma comprende una cavità la cui geometria determina la geometria che avrà il pezzo finale. Si possono distinguere due tipologie: la forma permanente e quella transitoria. La forma transitoria è la forma in cui il metallo fuso si solidifica che deve essere distrutta per rimuovere il pezzo. La forma permanente invece può essere riutilizzata più volte per diversi pezzi. Vi è anche una distinzione tra forma aperta e forma chiusa. Il sistema di colata è il percorso che il metallo fluido percorre dall’esterno alla cavità della forma.

Esempi di pezzi prodotti tramite colata: corone dentali, gioielli, statue, stufe, blocchi motore e telai per veicoli, ruote di treni, padelle, tubi e corpi pompa. Il campo di applicazione della locata è illustrato nel seguente grafico.

Fusione e colata

Riscaldamento metallo

L’energia termica richiesta per scaldare il metallo ad una temperatura di fusione è la somma dei seguenti termini:

• Calore necessario ad aumentare la temperatura fino al punto di fusione
• Calore latente di fusione per convertire il metallo da solido a liquido
• Calore per aumentare la temperatura del metallo fuso affinché possa essere versato

Ipotesi del modello di calcolo:

• Calore specifico non varia al variare della temperatura
• Temperatura di fusione è unica (ipotesi non applicabile per le leghe)
• Sistema adiabatico, quindi assenza di scambio di calore con l’ambiente durante il riscaldamento

Colata del metallo fuso

Obiettivo nella colata: il metallo deve raggiungere tutte le regioni della forma prima di solidificarsi. I fattori di influenza sono la temperatura di colata e la velocità di colata.

La temperatura di colata è la temperatura a cui il metallo fuso viene introdotto nello stampo. È importante distinguerla dalla temperatura di raffreddamento. La differenza tra queste due viene talvolta chiamata surriscaldamento, ovvero la quantità di calore che deve essere rimossa dal metallo fuso tra la colata e l’inizio della solidificazione. Se la temperatura di colata aumenta, aumentano anche il tempo prima della solidificazione, il costo energetico e la fluidità del metallo.

La velocità di colata si riferisce al tasso volumetrico a cui il metallo fuso viene versato nello stampo. Se la velocità è troppo lenta, il metallo si raffredda e solidifica prima di riempire tutta la cavità. Se la velocità è troppo elevata si può verificare il problema della turbolenza. Un flusso turbolento risulta agitato e irregolare. Esso tende ad accelerare la formazione di ossidi metallici che possono rimanere intrappolati durante la solidificazione, degradando la qualità del pezzo. La turbolenza aggrava anche l’erosione dello stampo.

Analisi ingegneristica della colata

Il sistema di colata è composto da:

• Bacino di colata: Coppa in cui viene versato il metallo fuso. Contiene filtri per evitare che la scoria entri nella forma.
• Canale di colata: Canale verticale all’interno del quale il metallo cade per gravità acquisendo velocità.
• Canale distributore (o collettore): Canale orizzontale che consente al metallo fuso di raggiungere diversi punti della forma.
• Attacchi di colata: Porta il materiale fuso alla forma.

Per la legge di continuità:
Q = A₁V₁ = A₂V₂
Applicandola a due sezioni qualunque:
Q₁A₁V₁ = Q₂A₂V₂

Teorema di Bernoulli dice che:
1/2 ρv² + ρgh + P = costante
Applicandola a due sezioni qualunque del canale:
1/2 ρv₁² + ρgh₁ + P₁ = 1/2 ρv₂² + ρgh₂ + P₂

Colata in gravità

Consideriamo la relazione ricavata dall’applicazione del teorema di Bernoulli:

1/2 ρv₁² + ρgh₁ + P₁ = 1/2 ρv₂² + ρgh₂ + P₂

Dove però:
P₁ = 0 - poiché consideriamo il fluido immobile nella sezione 1
ρgh₁ = 0
Si ottiene quindi che:
v₂ = √(2gh₂)

Colata in sorgente

Applicando il teorema di Bernoulli all’attacco di colata, considerando nulla la velocità al bacino, si ottiene che all’inizio della colata:

v = √(2gh)
Mentre al termine della colata:
v = √(2g(h₂ - h₁))
E la velocità media è dunque:
v̅ = √(2g(h₂ + (h₂ - h₁)) / 2)

Colata in piano

- La porzione del volume del getto è riempita in gravità - La porzione del volume del getto è riempita in sorgente.

Velocità media:
v̅ = √(2g(h₁ + h₂))
Dove:
h = h₁ + h₂

In generale tenendo presente la relazione di continuità, dato che Q₂ = A₂V₂ > A₁V₁, si deduce quindi che il canale di colata deve essere conico. Si può stimare il tempo necessario per riempire una cavità di forma di volume V come:

t = V / Q

Questo deve essere considerato un tempo minimo, perché quest’analisi non considera le perdite dovute all’attrito e le eventuali costrizioni del flusso nel sistema di colata. Nell’immagine a fianco vengono mostrati degli esempi di colata.

Solidificazione e raffreddamento

Il metallo fuso, dopo essere stato versato nella forma/stampo, si raffredda e solidifica. Gli aspetti legati alla solidificazione includono: tempo di solidificazione del metallo, fenomeni di ritiro, solidificazione direzionale, progettazione della/e materozza/e.

Tempo

La solidificazione comporta il passaggio di stato del metallo dallo stato di fuso allo stato di solido. Il processo di solidificazione cambia a seconda che il metallo sia un elemento puro o una lega.

Metalli puri

Un metallo puro solidifica a una temperatura costante che è la sua temperatura di solidificazione, che coincide col suo punto di fusione. La solidificazione effettiva richiede del tempo, chiamato tempo di solidificazione locale, durante il quale il calore latente viene rilasciato nello stampo circostante. Il tempo di solidificazione totale è tutto il tempo che intercorre tra la colata e la solidificazione completa. Grazie all’azione di raffreddamento della parete dello stampo, immediatamente dopo la colata si forma uno strato sottile di metallo solido sulla parete. Lo spessore dello strato aumenta man mano che la solidificazione prosegue. È interessante esaminare la formazione e la crescita dei grani metallici durante questo processo di solidificazione. Il metallo che forma lo strato iniziale si raffredda velocemente a causa della rapida sottrazione di calore esercitata dalla parete dello stampo. Questa azione di raffreddamento fa sì che i grani nella parte esterna siano fini e orientati in modo casuale. Man mano che il raffreddamento prosegue, la velocità di raffreddamento diminuisce, il flusso termico diventa direzionale, e così anche i grani che sono allungati e anisotropi. Man mano che il raffreddamento prosegue, i gradienti di temperatura sono ancora più bassi e il flusso termico non è più direzionale, i grani quindi in questa fase sono grossi ma equiorientati. Di seguito è riportata la struttura finale di un getto fuso di un metallo puro. È auspicabile avere una elevata velocità di raffreddamento che consente di ridurre la disuniformità struttura e garantire una grana fine, che è sinonimo di buone proprietà meccaniche. Ciò ottiene tramite: spessori ridotti (se lo spessore è ridotto, aumentando gli effetti benefici di bordo, ma non bisogna esagerare) e rugosità della forma (se la forma è scabra, aumenta lo scambio termico, ma peggiora la finitura superficiale del pezzo).

Leghe

Solidificano all’interno di un intervallo di temperatura, che dipende dal tipo di lega. La solidificazione inizia al raggiungimento della temperatura del liquidus, e termina quando viene raggiunta quella del solidus. La dinamica di raffreddamento è simile a quella dei metalli puri. Inizialmente si ha la formazione di una crosta fredda. In un istante successivo si ha un raffreddamento più lento e la formazione di grani orientati e frastagliati (dendriti). In un secondo momento, il gradiente di temperatura è ancora più basso e il flusso termico diventa non direzionale, di conseguenza i grani sono più grossi ed equiorientati. A causa della differenza di temperatura tra solidus e liquidus, la natura della crescita dendritica è tale che si forma una zona di avanzamento in cui coesistono sia metallo liquido che solido. Le parti solide sono le strutture dendritiche che si sono formate dando origine a piccole isole di metallo liquido nella matrice. Questa regione solido-liquida ha una consistenza pastosa, da cui il nome di zona pastosa. A seconda delle condizioni, può essere stretta come può allungarsi per tutta la cavità. Gradualmente anche le zone liquide nella matrice dendritica solidificano man mano che la temperatura scende al di sotto della temperatura di solidus. Anche in questo caso è auspicabile avere elevata velocità di raffreddamento. La struttura metallurgica dipende dal tenore di carbonio della lega. Man mano che prosegue la solidificazione e i dendriti crescono, si sviluppa uno squilibrio nella composizione tra il metallo che si è solidificato e il metallo fuso rimanente, che si manifesta alla fine del processo nel fenomeno della segregazione degli elementi. La segregazione è di due tipi: macroscopica e microscopica. A livello microscopico la composizione chimica è diversa per ogni singolo grano. Ciò è dovuto al fatto che le ramificazioni iniziali delle dendriti contengono una quantità maggiore di uno degli elementi di lega. Quando la dendrite si espande nel suo intorno, è costretta a usare il metallo liquido rimanente che risulta parzialmente impoverito del primo componente. Infine, l’ultima parte di metallo che solidifica in ogni grano è quella che era rimasta intrappolata dai rami di dendrite, che presenta una composizione fortemente diversa. Alla fine si ha una variazione nella composizione chimica tra i singoli grani del pezzo finale. A livello macroscopico, la composizione chimica varia lungo tutta la colata. Poiché le regione che solidificano prima contengono maggiore presenza di un componente rispetto all’altro, la lega fusa rimanente risulta privata di tale componente per il tempo che occorre a solidificarsi. Pertanto si forma una macro segregazione visibile attraverso la sezione trasversale del getto, chiamata segregazione a lingotto.

Tempo di solidificazione

Regola empirica di Chvorinov:
t = C(V/A)ⁿ
- M è il modulo termico [cm]
- n è l’esponente sperimentale adimensionale
- C è una costante sperimentale che dipende dalla forma [min/cm²]. Dipende dal materiale della forma, dalle proprietà termiche del metallo colato e dalla temperatura a cui viene effettuata la colata.

Per il calcolo del modulo termico:
M = V/A

Ritiro

Dalla temperatura di colata alla temperatura ambiente si incontrano tre ritiri differenti:

• Durante il raffreddamento in fase liquida (V₁)
• Durante la fase di solidificazione (V₂)
• Durante il raffreddamento in fase solida (V₃)

Il ritiro viene quantificato in due modi differenti:

• Attraverso il ritiro volumetrico percentuale. Usato per il ritiro in fase liquida e quello durante la solidificazione. R_V = (V₀ - V_f)/V₀
• Attraverso il ritiro lineare percentuale, partendo dalla variazione di lunghezza di un’unica dimensione del pezzo. Utilizzato per il ritiro in fase solida. R_L = (L₀ - L_f)/L₀

Il ritiro in fase liquida e di solidificazione viene contrastato mettendo dei serbatoi di materiale liquido (materozze) collegati al pezzo, posizionati e dimensionati opportunamente in maniera tale che siano gli ultimi a solidificare. Per fare sì che la materozza faccia il suo dovere, il suo modulo termico deve essere maggiore del modulo termico del pezzo a cui si collega, poiché la materozza deve solidificarsi per ultima. Per il ritiro in fase solida è necessario sovradimensionare la cavità di una quantità pari al ritiro. Attenzione alla distinzione tra sovrametallo e compensazione del ritiro in fase solida.

Direzione

Nel caso in cui vi sia lo sviluppo di dendriti colonnari occorre evitare la formazione di microporosità dovute al ritiro di piccoli volumi isolati dalle dendriti (fitta rete di rami che impedisce alla materozza di alimentare delle zone del pezzo). Per ovviare al problema si possono inserire degli inserti in metallo (raffreddatori) che fanno sì che i rami che impediscono l’accesso del materiale si diradino. Oppure posso diminuire la distanza di alimentazione, oppure aggiungere qualche materozza in più. In generale bisogna aumentare il gradiente termico sia spaziale che temporale.

La solubilità di alcuni gas nei materiali metallici (es. idrogeno) decresce bruscamente nel passaggio liquido-solido. Questo comporta la formazione di microporosità o microcavità nel solido. L’idrogeno nei processi di fonderia proviene principalmente dall’atmosfera: il risultato di una colata in lega di alluminio dipende fortemente dal tasso di umidità nell’aria. Il problema può essere risolto attraverso:

• Degasaggio chimico. Vengono inseriti all’interno della lega degli elementi chimici che hanno una grande affinità col gas responsabile delle porosità. Si legano a quest’ultimo quando il materiale metallico è allo stato liquido formando una scoria solida che risale in superficie.
• Fusione sottovuoto. In questo modo si evita che il materiale fuso entri in contatto con l’atmosfera, evitando la contaminazione indesiderata.
• Applicazione di una pressione. Se la colata avviene sotto pressione diminuisce la formazione di porosità.

Materozze

Il metodo basato sul diagramma di Caine utilizza un grafico riportante in ascisse e ordinata i due rapporti:
R_m = M_m/M_p = V_m/V_p
Dove M_m è il modulo della parte cui è collegata la materozza e V_p è il volume della parte del getto alimentata dalla materozza. Il rapporto tra moduli termici deve essere maggiore di 1 per il funzionamento corretto della materozza. Sperimentalmente è stata ricavata la curva che divide il piano in zona dove i pezzi sono rispettivamente buoni (cono di ritiro tutto all’interno della materozza) e non buoni.