Appunti tecnologia meccanica

Sono caratterizzati da elevata resistenza meccanica, soprattutto dopo trattamento termico.

Posseggono elevata resistenza alla corrosione e per questo motivo sono utilizzati in applicazioni

marine.

Gli ottoni sono leghe rame zinco. Hanno un limitato intervallo di solidificazione e talvolta viene

aggiunto piombo per migliorare la colabilità.

Leghe a base di nichel e di cobalto

Queste leghe si distinguono per l’elevata temperatura di fusione, superiore ai 1400°C, per la

resistenza alla corrosione e per la resistenza meccanica ad alta temperatura che può essere

incrementata con i meccanismi della soluzione solida e dell’indurimento per precipitazione Queste

leghe hanno prestazioni migliori degli altri materiali in applicazioni ad alta temperatura, in

particolare come componenti per turbine a gas. Materiali per alte temperature Alcune di queste

leghe sono usate in processi di colata solo in casi molto particolari.

Il titanio (1670°C) può essere usato in leghe caratterizzate da resistenza ad alta temperatura

combinata con un peso limitato e resistenza alla corrosione.

Queste leghe si usano in impianti chimici e nella costruzione di velivoli supersonici.

Sfortunatamente il titanio ha grande affinità verso l’ossigeno, temperatura di fusione molto alta e

bassa colabilità, di conseguenza è richiesta grande competenza da parte dei tecnici.

dell’HIP.

Le proprietà dei getti possono essere notevolmente migliorata per mezzo

I metalli refrattari hanno temperature di fusione superiori ai 2400°C e si ossidano in modo

estremamente rapido; con questi materiali possono essere usate solo tecniche speciali per la

fusione e la colata, quali sottovuoto o mediante fascio elettronico. Risultano insostituibili in alcune

applicazioni, come gli ugelli per i motori dei razzi.

Fusione e colata

Fusione

Fino a questo momento sono stati presi in considerazione i principi su cui si basano i processi di

fonderia; cominciamo a vedere le tecniche vere e proprie. Il primo passo consiste nel preparare un

fuso della composizione corretta. I principali elementi del sistema sono:

1. una carica viene realizzata per fornire, dopo la fusione, una lega della composizione voluta.

Normalmente non è necessario e nemmeno desiderabile realizzare una carica tutta costituita di

metalli provenienti da minerali (metalli primari). Per rendere il processo economico, è

fondamentale utilizzare il più possibile materiale di scarto. Gli elementi in lega caratterizzati da una

temperatura di fusione molto maggiore di quella del metallo base si dissolverebbero troppo

lentamente oppure richiederebbero un eccessivo surriscaldamento; di conseguenza vengono

aggiunti sotto forma di metallo master che contiene una maggiore concentrazione dell'elemento

altofondente nel metallo base.

Lo scopo è quello di produrre un fuso con la composizione voluta mantenendo i contaminanti al di

sotto del livello massimo consentito e realizzare questo al costo più basso possibile. A questo

scopo sono disponibili vari software. Gli impianti più piccoli spesso preferiscono usare come

materia prima lingotti aventi la composizione del prodotto finale, realizzati da aziende specializzate

(lingotti da rifusione).

2. La carica viene inserita in un forno che fornisce la fonte di calore. La struttura del forno può

essere di vari tipi, ma alcuni elementi sono comuni.

a- Il fuso è contenuto tramite un materiale con temperatura di fusione nettamente superiore a quella

del metallo e in grado di minimizzare la contaminazione del fuso con inclusioni o elementi che si

dissolvano. Il materiale viene scelto in modo che il suo ossido non venga ridotto dal metallo; in caso

contrario verrebbe rapidamente attaccato (per esempio, l'alluminio non viene mai fuso in contenitori

di acciaio). il materiale può essere acciaio virgola per colare il piombo, fino a materiali refrattari

(refrattari sono materiali ceramici che resistono a temperature elevate) elevate. La carica può

anche essere contenuta in un crogiolo in grafite o refrattario a sua volta inserita nel forno. In

alternativa, il fuso può essere contenuto mantenendo una zona esterna raffreddata che costituisce

il contenitore.

b- Il calore viene fornito all'esterno nei forni a riverbero, attraverso irraggiamento dalle pareti

virgola riscaldato da bruciatori a gas o a petrolio, o mediante resistenze punto in altri casi il

calore può essere generato all'interno virgola come nei forni elettrici ad induzione.

Un aspetto critico è l’atmosfera presente. Può essere aria, ché ho la sua umidità e vari inquinanti

c-

è una fonte di azoto, idrogeno e ossigeno; potrebbe essere un'atmosfera protettiva, per esempio

argo; può essere il vuoto che però richiede spese abbastanza elevate.

I prodotti della combustione comprendono vapore acqueo e idrogeno nei forni con bruciatore a gas

o a petrolio. Quando la carica viene mescolata con il combustibile, le reazioni tra combustibile e

prodotti della combustione con il fuso sono inevitabili. Il risultato è che interazioni con l'atmosfera

variano dalla semplice dissoluzione di gas nel fuso a reazioni come l'ossidazione o, in presenza di

agenti riducenti, riduzioni e anche arricchimento in carbonio.

3. La carica viene ricoperta o mescolata con fondenti, vari composti che possono essere distribuiti

sulla superficie o mescolati col metallo per reagire con fuso. Spesso hanno formulazioni

complicate per svolgere compiti specifici, quali reagire con contaminati ed elementi non metallici,

assorbire le inclusioni, isolare il fuso dall'atmosfera oppure ridurre le perdite di vapore dei metalli

caratterizzati da una bassa tensione di vapore. La scoria risultante galleggia sulla superficie del

fuso. Il metallo perso nella scoria e le perdite dovute ad ossidazione o evaporazione

rappresentano una perdita finanziaria e lo scopo è quello di minimizzarle, a parte quando è

auspicabile una perdita selettiva di contaminanti.

Colata

Quando il fuso raggiunge la temperatura e la composizione desiderate, viene spillato dal forno. Un

forno stazionario viene spillato rompendo un tappo in refrattario posizionato su un foro in

prossimità del fondo del forno. Alcuni forni possono essere inclinati per spillare il fuso. Le leghe

bassofondenti possono essere pompate all'esterno del forno. Il fuso può essere trasferito

direttamente allo stato o versato in un contenitore intermedio, la siviera, rivestita di materiale

refrattario, che poi versa la lega nello stampo attraverso un foro nel fondo o mediante inclinazione.

In alcuni casi il fuso viene distribuito da una struttura centrale a varie macchine posizionate a una

certa distanza.

Si può verificare un disallineamento tra la velocità di fusione e l'utilizzo del materiale, di

conseguenza si usano forni di mantenimento nei quali possono essere realizzati dei trattamenti

oppure si possono aggiungere degli alliganti. La temperatura viene regolata definitivamente al

momento della colata. Alcuni elementi particolarmente volatili, che sarebbero persi durante la

fusione, possono essere aggiunti in questa fase (per esempio il magnesio nei getti a base di

alluminio). Si aggiungono anche elementi che favoriscono la disossidazione. In generale lo scopo

è quello di mantenere il metallo libero dalla turbolenza che provocherebbe intrappolamento di

ossidi e scorie.

Anche la velocità di colata e la quantità di materiale colato devono essere controllate. Sistemi di

.

colata automatici danno i risultati più affidabili ma sono abbastanza costosi

Qualità del fuso

Sono stati fatti grandi sforzi per migliorare la qualità dei getti e molti dei miglioramenti sono relativi

alle fasi di fusione e di colata. Metodi di analisi rapida, come la spettrografia ad alta velocità,

nell’arco di minuti in modo che possano essere

forniscono analisi relative agli elementi importanti

apportate le necessarie correzioni alla carica prima della colata. Le inclusioni possono

compromettere le proprietà meccaniche, in particolare la resistenza all'impatto e alla fatica.

L'affidabilità dei getti può essere aumentata allargando i campi di applicazione con l'introduzione di

tecniche finalizzate alla riduzione del numero delle inclusioni o, se questo non è possibile,

cambiando la forma e la distribuzione delle inclusioni in modo da minimizzare gli effetti negativi

(queste tecniche sono ovviamente usate anche con le leghe per deformazione plastica).

Esistono varie possibilità:

1. Mantenere la lega ad una temperatura costante permette alle inclusioni più leggere di separarsi.

Un fondente attivo contribuisce a raggruppare le inclusioni. In alternativa il fuso viene passato

attraverso filtri, soprattutto con le leghe di alluminio. L'affinamento con elettroscoria è applicabile

agli acciai e alle superleghe e comporta la rifusione di un elettrodo ottenuto precedentemente alla

composizione voluta, attivando un arco sommerso nella scoria.

2. Il degasaggio del fuso con un gas riduce il contenuto di gas. Si possono anche verificare

reazioni col fuso, come quando il cloro viene usato per rimuovere l'idrogeno dal fuso di magnesio o

di alluminio. Qualche volta lo scopo viene ottenuto come effetto secondario di un'altra operazione;

per esempio nella soffiatura di ossigeno negli acciai lo scopo è la rimozione del carbonio ma in

questo modo si riducono anche le concentrazioni di azoto e di idrogeno. Questo si verifica anche

nella soffiatura di argo e ossigeno negli acciai inossidabili.

L'ossigeno viene ridotto in seguito mediante disossidazione.

3. Molte inclusioni sono il prodotto di reazioni indesiderate con un gas, di solito ossidazione. La

pulizia viene migliorata riducendo la pressione parziale di vapore mediante applicazione di vuoto

durante la fusione (fusione per induzione sottovuoto, rifusione con elettrodo consumabile), dopo il

completamento della fusione (degasaggio sottovuoto in forno o in siviera) o durante la colata.

Le bolle di gas sono inclusioni a resistenza nulla e, nella maggior parte dei casi, sono indesiderate.

In aggiunta alla purificazione e all'applicazione di vuoto, c'è la possibilità di legare i gas nel

prodotto di una reazione chimica. Per esempio, le leghe di rame vengono disossidate con fosforo;

gli acciai sono disossidati con alluminio, silicio, manganese o calcio. I prodotti della reazione

rimangono nel getto e i controlli di processo sono finalizzati a distribuirli nella forma meno

dannosa. Le leghe, soprattutto acciai, di una determinata composizione vengono prodotti

commercialmente con vari livelli di impurità ed inclusioni e le versioni più pulite e costose sono

usate nelle applicazioni più critiche.

Classificazione delle tecniche di colata

Il numero delle tecniche di colata è molto grande. Dal punto di vista tecnologico queste tecniche

possono essere raggruppate in due ampie categorie: colata in stampo a perdere e colata in

stampo permanente.

Uno stampo a perdere viene usato una volta sola e deve essere rotto per liberare il getto

solidificato, mentre è previsto che uno stampo permanente possa durare per varie centinaia o

migliaia di getti e deve avere una struttura tale da consentire il rilascio del getto solidificato.

Un modo alternativo di classificazione è basato sulla finalità del getto:

1. lingotti (lingottiera), blumi, bramme e billette (colata continua). Il metallo è una lega per

deformazione plastica; in preparazione per laminazione, estrusione o forgiatura, il materiale viene

colato in una forma semplice adatta per successive lavorazioni. Circa l'85% di tutte le leghe viene

trattato in questo modo, in impianti specializzati. È essenzialmente un'attività produttiva primaria e

verrà presentata solo come preliminare alla presentazione delle tecniche di formatura.

2. Lingotti da rifusione. Queste sono forme semplici, ottenute da un fuso di composizione

controllata e analizzata in modo accurato, per facilitare il trasporto e il carico nei forni delle aziende

che usano processi secondari.

3. Colata di getti. Il fuso viene colato nella forma finale che richiederà solo operazioni di pulizia o di

asportazione di truciolo per ottenere il componente finale. Questo è tipicamente un processo

produttivo secondario e sarà l'argomento principale nella trattazione dei processi di fonderia.

Colata in lingottiera

Oggetti ottenuti da colata di forma circolare, ottagonale o quadrata con spigoli arrotondati sono

chiamati lingotti quando il loro diametro o la dimensione laterale è sufficientemente grande, sono

chiamati billette quando più piccoli. Quasi sempre sono colati in stampi permanenti mediante una

L’alimentazione avviene dall’altro ma a volte anche dal basso.

varietà di tecniche.

1. lingottiere, di solito in acciaio, possono essere usate per la colata statica di tutte le beghe. La

solidificazione inizia dalle pareti dello stampo con cristalli piccoli ed equiassici e procede verso

l'interno con la formazione di cristalli allungati di tipo colonnare o dendritico.

Si ottiene una qualità migliore (superficie migliore, meno scoria e intrappolamento di gas) con il

riempimento dal fondo, perché il flusso del metallo è più denso e più regolare Tuttavia,

che si trova in alto è a contatto con l’aria

alimentando dal basso, si incontra un problema: il metallo

perciò tende a solidificare ostacolando il riempimento della lingottiera.

L’altro problema è che il cono di ritiro che si forma alle estremità. Si può evitare il cono di ritiro

fornendo metallo fuso dalla siviera o da una riserva di metallo caldo contenuta in una estensione

dello stampo rivestita di refrattario. Il metallo può essere mantenuto caldo più a lungo e si può

ridurre la profondità del cono di ritiro con un collare isolante o un composto esotermico, cioè un

composto che prende fuoco a contatto con metallo caldo e produce calore sulla sommità del fuso.

In questo modo aumenta la resa di metallo di qualità.

2. Nella colata di leghe a base di rame si usano stampi raffreddati ad acqua o con doppia parete. I

lingotti più piccoli possono essere spessi 25-50 mm, nel caso di leghe non ferrose e 150-200 mm

con gli acciai, il peso può arrivare a 20 tonnellate con le leghe non ferrose e 300 tonnellate con gli

acciai.

Colata semicontinua La colata semicontinua è usata con le leghe non

ferrose. La solidificazione è quasi completa all'interno di

uno stampo in rame raffreddato ad acqua. Il getto viene

tirato gradualmente mentre la solidificazione prosegue

e viene raffreddato ulteriormente con spruzzi d'acqua.

Il processo viene interrotto periodicamente per

consentire la rimozione di un lingotto. Per evitare

l'adesione allo stampo si usa un lubrificante. Il contatto

con lo stampo viene eliminato e la superficie è di qualità

nettamente superiore nella colata di alluminio

confinando il materiale fuso Con getti d'aria ad alta

pressione o con un campo elettromagnetico. Un campo

elettromagnetico viene usato anche nella colata per

levitazione di rame e delle sue leghe.

Colata continua La colata continua si usa per produrre manufatti

di leghe metalliche in grandi tonnellaggi,

principalmente con gli acciai. Al posto della

siviera c’è un forno elettrico, che può essere

inclinato, e alimenta a sua volta un distributore

intermedio che versa il metallo nello stampo

(vedi figura). Lo stampo spesso è in rame

perché è un eccellente conduttore termico, è

circondato da un circuito di raffreddamento per

evitare possibilità di saldatura tra il metallo fuso

e le pareti dello stampo. Queste ultime sono

lubrificate e messe in vibrazione per far scorrere

il metallo. C’è anche un ricevitore di raggi X che

misura la portata in massa e, regolando

l’inclinazione del contenitore, fa in modo che la

portata in massa sia costante. La bramma (o

barra) deve essere tagliata con una torcia o una

sega durante il suo movimento. La

solidificazione prosegue a grande distanza

dopo l'uscita dallo stampo e l'acciaio caldo può

essere piegato varie volte per ridurre l'altezza

della struttura. Si possono ottenere forme

semplici come le preforme per profilati ottenuti

per laminazione.

La colata continua si usa, come già detto, per produrre grande tonnellaggio, questo perché

consente:

1) maggiore produttività: la produzione prosegue finché non ha svuotato tutto il forno.

la laminazione sfrutto l’alta temperatura

2) maggiore risparmio energetico: per eseguire

residua del metallo.

Colata di strisce E’ una variante della colata

continua. La colata di strisce fa uso

di rulli gemelli o nastri flessibili per

produrre bramme o strisce sottili

bypassando in questo modo le

prime fasi di laminazione a caldo:

serve a produrre delle lamiere

partendo direttamente dal fluido. Il

metallo fuso viene versato dal

contenitore, chiamato tundish, fra i

due rulli che formano così una

lamiera.

Colata di getti

L’oggetto che usiamo per dare forma alla cavità dello stampo è chiamato pattern o modello.

Abbiamo tecniche di colata con stampo e modello a perdere e altre invece con stampo a perdere

ma modello permanente. Mentre per la colata con stampo permanente avremo delle tecniche con

stampo semipermanente e tecniche con stampo permanente in senso stretto. Avremo tecniche

con anima in sabbia o in metallo. Quando il processo di colata è finalizzato a produrre un

componente di forma complessa si deve preparare uno stampo con una cavità che definisca la

forma del componente prevedendo accorgimenti per consentire il ritiro dopo la solidificazione. Per

tutte le tecniche di colata si applicano alcuni principi di base. La prima regola è che un getto di

qualità si ottiene solo se il fuso entra nella cavità in modo ordinato e la modalità di solidificazione

deve essere pianificata.

Flusso

Il sistema di alimentazione del fluido in uno stampo viene progettato basandosi sui principi della

fluidodinamica. Lo scopo di questo sistema è quello di alimentare lo stampo con un metallo che si

muove con moto regolare. Nel caso ideale il flusso dovrebbe essere laminare (numero di Reynolds

basso) ma, in pratica, la turbolenza non può essere evitata completamente. La progettazione del

sistema di alimentazione è frutto di molti compromessi: si cerca di avere una velocità abbastanza

regolare pur accettando un po’ di turbolenza. La turbolenza deve essere comunque limitata per

evitare l'erosione dello stampo e intrappolamento di scoria, materiale dello stampo e gas. Il

sistema di alimentazione deve essere riempito dal metallo sotto una pressione positiva in modo

che nessun gas venga aspirato.

Il sistema di alimentazione dello stampo presenta alcune caratteristiche comuni a tutte le

tecniche di colata.

1. Il pozzetto di colata (pouring basin) è un recipiente sufficientemente grande da contenere il

flusso del metallo e spesso ha una forma in grado di garantire un flusso regolare del fuso. Alla

superficie (livello 1) la pressione idrostatica è nulla e l'energia potenziale massima. Le scorie

(ossidi e altre inclusioni che tendono a risalire verso la superficie) possono essere trattenute da

uno schiumatore (skimmer) e le inclusioni più pesanti da una traversa (weir).

2. Il fluido scorre nello stampo attraverso il canale di colata (sprue). In questa fase l'energia

potenziale viene convertita in energia cinetica ed aumenta la velocità.

Poiché la portata in massa è costante, il flusso tende ad allontanarsi dalle pareti del canale di

colata all'aumentare della velocità e questo provoca il risucchio di aria all'interno dello stampo. Per

evitare l'aspirazione di aria si deve mantenere una pressione non inferiore a quella atmosferica nel

condotto; per questo motivo il canale di colata si assottiglia verso il basso, in figura nel passaggio

dal livello 2 al livello 3.

Un pozzo (well) caratterizzato da una grande sezione trasversale si trova alla base del canale di

colata; l’improvviso rallentamento del flusso dissipa energia cinetica ed aiuta a trattenere le

inclusioni che sono state trasportate fino a quel punto dal flusso.

Alla base del canale di colata può essere posizionato un filtro a rete o in materiale ceramico, per

trattenere le scorie e altre inclusioni relativamente grandi.

3. Il fuso viene distribuito attraverso canali distributori (runner) caratterizzati da una maggiore

sezione trasversale che spesso si riduce progressivamente per rallentare e rendere più regolare il

flusso e sono progettati per fornire una velocità di flusso circa costante nelle varie zone della

cavità.

4. I canali distributori sono collegati alla cavità dello stampo da attacchi (gate).

Questi attacchi hanno uno spessore molto ridotto non solo per facilitare la separazione del getto

dal sistema di alimentazione ma anche per strozzare il flusso del metallo e garantire un afflusso

regolare nella cavità.

Una situazione particolarmente favorevole si verifica quando il metallo viene risucchiato in uno

stampo riscaldato mediante una depressione perché lo stampo si riempie senza che si verifichi la

formazione di gocce e i gas da dissipare sono sostanzialmente assenti. Le dimensioni delle varie

parti del sistema di distribuzione possono essere calcolate in modo approssimativo considerando il

fuso incomprimibile. Di conseguenza la portata di massa in ogni punto del sistema soddisfa

l'equazione di continuità: A V =A V , dove A è l'area della sezione trasversale e V è la velocità in

0 0 1 1

quel punto. Se A > A il flusso rallenta e viceversa.

1 0 l’equazione di continuità

Per il dimensionamento del sistema di alimentazione perciò si utilizza sia

che l’equazione di Bernoulli.

La velocità può essere approssimata grazie al teorema di Bernoulli che stabilisce che in condizioni

stazionarie l'energia totale di un volume unitario deve essere costante in ogni parte del sistema.

Le componenti dell'energia sono quattro: l'energia legata alla pressione dovuta alla sovrapressione

p, che è la somma della pressione esterna e della pressione idrostatica ( pressione dovuta al peso

del fuso); energia cinetica dovuta alla velocità v; energia potenziale dovuta all'altezza h sopra il

piano di riferimento; perdite di energia f dovute all'attrito nel fuso (questo termine include l'energia

persa a causa della turbolenza, dei cambi di direzione e dell'attrito contro le pareti dello stampo).

Se le velocità sono troppo basse si verifica la solidificazione prima che lo stampo sia

completamente pieno; se sono troppo alte lo stampo verrà eroso e le inclusioni trascinate dentro la

cavità dello stampo. Il posizionamento e il dimensionamento del sistema di alimentazione ha

grande influenza sulla qualità del getto perché determinano la velocità di afflusso del fuso nelle

varie zone della cavità e perciò influenzano anche la modalità di solidificazione. Questo argomento

è stato molto dibattuto negli ultimi tempi sia dal punto di vista sperimentale che teorico. Esistono

software commerciali basati su una combinazione di esperienza e teorie di base che aiutano nella

pianificazione del sistema di alimentazione e nel posizionamento degli attacchi di colata in modo

interattivo.

Estrazione di calore e solidificazione

Quando il fuso entra nello stampo, il calore viene estratto attraverso le pareti dello stampo stesso

e inizia la solidificazione. Se non si prendono accorgimenti particolari il calore viene estratto su

tutta la superficie, di conseguenza la solidificazione procede dalle pareti verso l'interno.

Si intuisce che il tempo necessario per completare la solidificazione è direttamente proporzionale

al volume V (che determina la quantità di calore da smaltire) e inversamente proporzionale all'area

della superficie A (attraverso la quale avviene l'estrazione di calore). Si può dimostrare che per

una grande varietà di forme e di dimensioni la relazione è quadratica (regola di Chvorinov):

Ts α (V/A) 2

, dove V/A = M viene chiamato modulo del getto.

Le porzioni tozze del getto solidificano alla fine; di conseguenza la solidificazione progressiva può

condurre ad un prematuro blocco del flusso nelle sezioni più sottili impedendo l'accesso del liquido

alle parti più spesse e determinando la formazione di cavità di ritiro e di porosità.

Il tempo di solidificazione è proporzionale al quadrato del modulo di getto.

Si possono ipotizzare vari rimedi.

1. Le materozze rappresentano riserve di metallo fuso. Caratterizzate da un rapporto V/A alto,

solidificano alla fine ed alimentano con una quantità sufficiente di liquido le sezioni più grosse del

getto per compensare il ritiro prima e durante la solidificazione.

Nell'esempio in figura le materozze sono posizionate tra i canali distributori e il getto, in modo da

essere riempite alla fine e contenere il metallo alla temperatura più alta.

Figura a): Qui è rappresentata una fusione per ottenere una biella e lo si deduce dal fatto che

abbiamo un fusto centrale che collega le due estremità ove vengono realizzati i fori. La biella è

caratterizzata in primo luogo dall’interasse dei due fori. A noi interessa in particolare l’estremità

destra della biella: si può notare una cavità di ritiro concentrata e della porosità diffusa nella zona

del fusto. Evidentemente una biella che presenta questi difetti viene immediatamente buttata via

perché è scadente.

Possiamo inizialmente dire che per evitare questi elementi difettosi è opportuno modificare la

tecnica di colata; sappiamo che la zona del fusto è la prima a solidificare, in quanto presenta un

Inoltre, la cavità di ritiro presenta nell’estremità destra della biella è dovuta

modulo di getto basso.

al fatto che il metallo allo stato solido, contraendosi, ha lasciato uno spazio vuoto impedendo

pertanto al metallo fuso di raggiungere quella zona. Questo avviene perché la zona del fusto si

raffredda molto più rapidamente e quindi avviene la contrazione solida, dove si forma la cavità.

Questo fenomeno non si verifica nella parte di sinistra perché questa è collegata con il canale di

colata che funge da riserva di metallo liquido (se questo è dimensionato opportunamente).

Una soluzione per questo problema è quello di cercare di avere variazione di modulo di getto

progressive: si comincia dalle estremità il cui modulo è alto per poi diminuire progressivamente fino

a giungere ad una zona in cui il modulo stesso presenta un valore ridotto: in questa zona avviene

la solidificazione e ricomincia il processo a ritroso per arrivare nelle zone più tozze.

Negli stampi a perdere questo può essere raggiunto posizionando inserti metallici nello stampo in

refrattario nei punti dove si vuole massimizzare la velocità di raffreddamento. Negli stampi

permanenti è possibile aumentare la velocità di raffreddamento in punti specifici posizionando

alette o spine di raffreddamento sulle superfici esterne, oppure introducendo condotti di

raffreddamento nello stampo attraversati da aria o acqua.

Quando si ha a che fare con zone estese a sezione costante, come quella del fusto della biella, in

abbiamo delle zone in cui non c’è alcuna forma

cui non si verifica la solidificazione direzionale:

di porosità, poiché quando avviene la solidificazione, il metallo potrebbe provenire dalle zone più

tozze che sono caratterizzate da un modulo di getto più alto. Pertanto, si verifica la solidificazione

la zona centrale del fusto non risente dell’effetto delle due zone d’estremità, il

direzionale. Tuttavia,

che significa che non avviene solidificazione direzionale e, come conseguenza, nascono delle

forme di porosità che si estendono in modo uniforme.

Figura b): La cavità di ritiro è eliminabile aggiungendo una zona più tozza che però non fa parte

avviene la contrazione del metallo nella zona destra della biella, c’è del

della biella. Quando

metallo fuso in più nella nuova zona tozza che compensa la contrazione. In questo modo la

contrazione avviene in quest’ultima zona e non più in quella appartenente alla biella. Il termine

tecnico indicante la riserva di metallo liquido è materozza (il canale di colata svolge la stessa

funzione).

Per evitare il problema della porosità si possono adottare due soluzioni distinte:

1- prendiamo in riferimento la figura d): invece di impiegare un parallelepipedo lungo, si

può scegliere un elemento geometrico caratterizzato da una certa conicità: la zona centrale

è a sezione trasversale più ridotta e mano a mano che ci si avvicina alle zone tozze

la sezione aumenta. In questo modo avrà luogo la solidificazione direzionale che

progredisce andando sia verso destra che verso sinistra. In sintesi: quando inizia a solidificare

la zona centrale del fusto, del metallo fuso può provenire dalle zone adiacenti;

nel momento in cui le suddette zone adiacenti iniziano a solidificare, quelle più esterne

sono in grado di fornire metallo fuso fino a giungere alle zone più tozze, ovvero alle estremità

della biella, le quali solidificano regolarmente in quanto una è collegata al canale

di colata e l’altra è collegata alla materozza. Pertanto, tutto il ritiro della fase solida

del metallo è stato spostato in elementi esterni alla biella.

2- Questa soluzione è illustrata dalla figura c): la seconda proposta risolutiva consiste

nell’impiego di un raffreddatore (chill). Nella zona centrale del fusto si usa un metallo

(in quanto generalmente conduce bene il calore) che permette di accelerare lo scambio

termico della suddetta zona. In questo modo il processo di solidificazione parte dal centro

.

e si estende verso le estremità della biella, ottenendo così la solidificazione direzionale

Commentiamo anche la seguente figura: abbiamo

un pezzo di condotto costituito da due flange

(casting) e tutta la parte di alimentazione è

costituita dagli elementi riportati sulla sinistra

(sono in tutto 3): vi sono 2 materozze collegate

alle flange, proprio perché queste ultime sono le

componenti più tozze del prodotto da realizzare e

quindi sono le parti che solidificano più

lentamente; abbiamo inoltre il cono di ritiro ed il

canale di distribuzione. Le materozze svolgono la

funzione di riserva di metallo liquido e per poter

svolgere tale funzione devono presentare un

modulo molto alto, perché se non fosse così il

metallo solidificherebbe ancora prima che nello

stampo del componente da realizzare e quindi

non avremmo più le scorte di metallo fuso.

Le materozze possono essere aperte all'atmosfera, nel qual caso un composto esotermico deve

essere posizionato sulla loro sommità; le materozze chiuse sono caratterizzate da minori

dispersioni di calore ma una matita ceramica porosa deve essere inserita per avere pressione

atmosferica nella cavità di ritiro. Spesso le materozze sono indispensabili ma hanno il difetto di

ridurre la resa ed aumentare la quantità di materiale di scarto da riciclare.

è necessario che sia fornito del fuso per compensare il ritiro in fase di solidificazione. E’

Inoltre,

richiesto un gradiente minimo di temperatura di 1,5°C/cm per garantire una corretta alimentazione

ed evitare microporosità. Le porosità possono essere eliminate anche modificando i condotti

dando loro forma troncoconica, anche se questo richiede materiale in più.

Uno dei metodi più potenti per migliorare le proprietà di un oggetto consiste nel controllare le

dimensioni dei grani. Di solito si preferisce ottenere grani di piccole dimensioni perciò a tale scopo

si usano agenti nucleanti e una velocità di raffreddamento controllata.

Ci sono però delle eccezioni. Nelle applicazioni ad alta temperatura, quando sia richiesto un

materiale in grado di resistere al creep, si preferiscono grani grandi se la struttura è equiassica.

Le proprietà migliorano ulteriormente se vengono eliminati i bordi dei grani orientati

trasversalmente alla direzione di carico. Le proprietà delle pale di turbina sono state migliorate in

questo modo quando la struttura policristallina è stata sostituita da grani orientati assialmente; a

questo scopo lo stampo viene posizionato su una base raffreddata ad acqua e viene estratto

lentamente da un ambiente riscaldato.

Un singolo grano cristallino è ancora più resistente e, in assenza di bordi dei grani, anche più

resistente alla corrosione. Se viene posizionato un condotto elicoidale (a forma di coda di maiale)

tra lo stampo e la piastra raffreddante solo il grano orientato nel modo più favorevole può crescere

attraverso l’elica e all'interno dello stampo.

Progetto degli stampi

Stabiliti i principi elencati fino a questo momento, il progetto di uno stampo segue le fasi elencate

di seguito:

1. si calcola il volume è il peso del getto,

2. basandosi sul volume e sulla configurazione geometrica (lungo e stretto, massiccio, con sezioni

trasversali non uniformi, ecc.) si stabilisce la dimensione e il numero delle materozze,

3. sulla base della teoria e di relazioni empiriche si determina la durata ottimale della colata,

4. si progetta il sistema di alimentazione in modo che sia in grado di alimentare lo stampo nel tempo

previsto e nel modo più regolare possibile, cioè con un moto che si avvicini a quello laminare.

Esistono software che possono fornire un contributo a vari livelli.

I programmi più se guidano il progettista attraverso le fasi appena elencate, usando teorie

elementari e una grande quantità di dati empirici. Modelli matematici basati su metodi analitici o

numerici hanno fatto grandi progressi, al punto che è possibile osservare il riempimento dello

stampo a monitor, aiutano a progettare gli attacchi e le materozze, a calcolare la durata della

solidificazione e perfino a prevedere la microstruttura e le proprietà meccaniche punto l'influenza di

variazioni nelle condizioni di morata può essere valutata senza fare molta sperimentazione.

La solidificazione del fuso può anche essere studiata in laboratorio con l'uso di materiali di

simulazione (per esempio soluzioni organiche la cui cristallizzazione può essere osservata

all'interno di stampi in plastica trasparente).

Modelli

Gli stampi a perdere vengono realizzati compattando un materiale refrattario (sabbia) attorno a un

modello che definisce la forma della cavità e, nella maggior parte dei casi, gli attacchi, i canali

distributori, il canale di colata e le materozze necessarie per riempire lo stampo.

Modelli differiscono da prodotto finito sotto importanti punti di vista.

Tutte le dimensioni vengono incrementate per tenere conto della contrazione in fase solida del

getto, dalla curva del solidus a temperatura ambiente (da non confondere con la contrazione

durante la solidificazione). Esistono righelli con la scala modificata per tener conto del ritiro; nei

sistemi CAD/CAM tale compensazione è preprogrammata.

Se il getto deve essere lavorato alle macchine utensili si aggiunge un appropriato spessore

chiamato sovrametallo.

Poiché i modelli permanenti devono essere usati un elevato numero di volte, vengono realizzati in

legno oppure, quando sono richieste maggiore durata e stabilità dimensionale, in metallo o plastica

resistente. il modello deve essere facilmente estraibile dallo stampo; per questo motivo gli stampi

sono divisi in due parti. Di conseguenza è necessario scegliere una posizione per il piano di

separazione degli stampi. Alle superfici parallele a quella di estrazione viene data un'inclinazione

per consentire la rimozione del modello senza danneggiare lo stampo.

Cavità, sottosquadri e fori passanti presenti nella forma del getto devono essere ottenuti mediante

l'inserimento di anime. In questo modo è possibile realizzare forme più complesse ma aumentano i

costi di produzione punto per avere un posizionamento accurato delle anime, nei modelli sono

previsti alloggiamenti chiamati portate d'anima.

I modelli più semplici vengono realizzati in corpo unico (ma normalmente divisi lungo il piano di

separazione) e gli attacchi, i canali distributori e le materozze sono aggiunti durante la

preparazione dello stampo. Questa procedura rende la preparazione dello stampo lenta e con la

necessità di molta manodopera.

Per aumentare la produttività gli elementi del sistema di alimentazione sono incorporati nel

modello, separati lungo il piano di separazione, preferibilmente con il canale distributore nella parte

inferiore e gli attacchi in quella superiore; in questo modo il canale distributore si riempie

completamente prima di far entrare il metallo nella cavità.

Le due parti del modello vengono montate sulle due superfici di uno stesso piatto oppure su due

piatti distinti. La produttività viene aumentata se più componenti vengono ancorati

contemporaneamente nello stesso stampo; a questo scopo vengono utilizzati piatti con più modelli.

Cavità di grandi dimensioni e forma abbastanza semplice vengono spesso realizzate manualmente

usando modelli che riproducono lo scheletro del getto oppure, se il getto è caratterizzato da

simmetria rotazionale, ruotando nella sabbia una tavola e riproduca la sezione del getto.

Stampi

Il refrattario deve essere contenuto attorno al modello e il contenitore è normalmente chiamato

staffa punto quando è diviso in due parti per contenere la parte superiore e quella inferiore del

modello, si parla rispettivamente di coperchio e fondo della staffa.

Stampi molto grandi possono essere ricavati in una cavità nel terreno, si parla di colata in fossa. Le

anime, così come lo stampo, vengono realizzate con materiali refrattari. Tuttavia la loro resistenza

meccanica deve essere superiore per consentirne la manipolazione. Deve inoltre essere possibile

la loro rimozione dopo solidificazione.

Le anime vengono realizzate in stampi chiamati casse d'anima, fatti in legno o metallo. Le anime

possono essere realizzate divise in due o più parti unite in un secondo momento.

Differenze fra modello e prodotto finito

Nella lezione precedente abbiamo esaminato gli stampi permanenti e gli stampi a perdere: con i

primi si possono realizzare praticamente prodotti in serie, quindi in decine di centinaia tanto per

intenderci, mentre con i secondi si realizzano prodotti unici con un solo stampo. La forma degli

stampi a perdere si può farla con i modelli, quindi questi ultimi, geometricamente parlando, sono

molto simili ai prodotti finiti. Con questo s’intende dire che fra modelli e prodotti finiti esistono delle

differenze necessarie; alcune di esse sono le seguenti:

dimensioni: il modello deve essere più grande del prodotto per tenere conto della contrazione

in fase solida, in quanto il metallo non si muove e si contrae progressivamente;

sovrametallo: molte tecniche da fonderia non permettono di realizzare prodotti precisi, ovvero

le incertezze dimensionali si riscontrano spessissimo, con il conseguente rischio di realizzare

prodotti “sottodimensionati”; dunque si prendono delle precauzioni lasciando del metallo in più,

appunto del sovrametallo, che poi sarà eliminato impiegando delle tecniche più accurate;

angoli di sformo o di spoglia: quando con il modello realizziamo la cavità dello stampo,

ovvero schiacciamo il “modello di battaglia”, successivamente bisogna rimuovere il modello stesso;

modello, quest’ultimo si porterebbe

se ci sono delle pareti parallele alla direzione di estrazione del

con sè del materiale e questo è evitabile introducendo appunto questi angoli di spoglia;

raccordi: supponiamo che in un prodotto finito siano presenti delle variazioni di sezione come

nella seguente figura. Focalizziamoci sullo spigolo interno sinistro: il metallo in fase solida si

contrae e questo comporta la nascita di tensioni che possono scaturirne la frattura del pezzo,

poiché durante la contrazione

vi sono delle porzioni di

metallo che si dirigono verso

l’alto e altre che si muovono

verso destra; tale

inconveniente è risolvibile

introducendo appunto ampi

raggi di raccordo come indicato nella figura:

piccoli fori: con alcune tecniche di fonderia non è possibile realizzarli, pertanto si procede

realizzando il prodotto pieno e successivamente si praticano con altre tecniche i fori desiderati.

Prendiamo ora in riferimento la seguente biella:

la biella da prodotto finito è rappresentata dalle linee

tratteggiate, mentre il modello è realizzato seguendo le

linee continue; come si può notare, abbiamo la presenza

del sovrametallo, degli angoli di spoglia (draft angle) e

dei raggi di raccordo (radius). Si ha anche un altro

che significa portata d’anima:

elemento, cioè core print

in questa zona è presente il foro, così come nella zona

d’estremità sinistra: vogliamo ricavare delle cavità nello

stampo tali per cui il metallo non vada ad occupare

quelle zone.

Ogniqualvolta si devono realizzare dei fori cechi o passanti nel prodotto finito è necessario

impiegare degli strumenti chiamati anime. Tali anime una volta posizionate non devono più

muoversi e per far ciò vengono preparati degli alloggiamenti che, appunto, le mantengono in

posizione e sono denominati portate d’anima. Rimane da definire il termine “parting plane”: è

sostanzialmente un piano che divide il semi-stampo superiore da quello inferiore.

I modelli generalmente sono costituiti da due parti, ognuna delle quali modella la parte

superiore ed inferiore dello stampo, inoltre per risparmiare tempo questi ultimi possono presentare

anche un sistema d’alimentazione.

I materiali costituenti i modelli dipendono dalle dimensioni del lotto da produrre: se devono

essere realizzati prodotti di ridotte dimensioni vengono impiegati materiali tenerti, quali per

esempio le plastiche; se invece i prodotti presentano consistenti dimensioni è evidente che devono

essere impiegati materiali più resistenti per produrre solo pochi modelli, ecco che vengono scelti

metalli più durevoli o materiali come il legno.

Materiali degli stampi

La sabbia silicea (SiO2) è di gran lunga il materiale refrattario meno costoso e, se la sua qualità

(composizione e contaminanti) viene controllata attentamente è adatta per temperature di colata

piuttosto alte, compresa quella dell'acciaio. Altri refrattari vengono usati in casi particolari.

la sabbia fluisce facilmente e deve essere tenuta insieme temporaneamente da un legante. Il

legame deve essere sufficientemente resistente per sopportare la pressione e l'erosione del fuso,

ma deve essere indebolita sufficientemente da calore del metallo per consentire il ritiro del getto e,

alla fine, la rimozione del getto dalla sabbia senza esserne danneggiato.

Tuttavia, il legame dovrebbe mantenere la permeabilità della sabbia in modo che i gas presenti nel

fuso o prodotti nel legante dal calore possano fuoriuscire. Le caratteristiche della sabbia vengono

verificate periodicamente in laboratorio; tra queste la dimensione dei grani la resistenza a

compressione, a taglio e a trazione, la permeabilità e la sua capacità di compattazione

(diminuzione dell'altezza di una colonna sotto carico specificato).

Si riducono i costi e lo smaltimento in discarica mediante il riciclaggio della sabbia usata attraverso

lavaggio a secco e pulitura oppure, nel caso di leganti organici, mediante riscaldamento punto un

caso speciale è la grafite, usata con metalli particolari, quali titanio, zirconio e metalli refrattari, che

reagisce con la silice.

Leganti

I vari processi spesso vengono descritti sulla base del legante usato: (vedi dopo nel dettaglio)

1. Si parla di colata in verde quando il legante usato è argilla, il più economico tra i leganti.

L'argilla è un allumino silicato idrato con una struttura a strati. È abbastanza forte, ma fragile quando

è secca. Diventa deformabile quando viene aggiunta acqua; l'acqua si interpone tra le lamelle e ne

consente il moto relativo.

Alcune sabbie contengono la richiesta percentuale di argilla, ma si ottiene una qualità superiore quando

viene aggiunta argilla di qualità (per esempio, dal 6 all’8% di bentonite) a pura sabbia silicea. Con

l'aggiunta del 2- 3% di acqua e una completa miscelazione, si ottiene una miscela di sabbia facilmente

trasportabile e modellabile. Quando la miscela viene lasciata nella condizione umida si parla di corata

in verde. Un grande vantaggio è che in questo modo la sabbia è facilmente riciclabile.

2. La sabbia legata con argilla può essere parzialmente essiccata sulla superficie interna per

migliorare la qualità superficiale del getto e ridurre i difetti a punta di spillo che possono formarsi a

causa della generazione di vapore.

In alternativa, tutto lo stampo può essere essiccato ma questo tipo di stampi è stato per lo più

sostituito da stampi senza cottura, con i quali si usa un legante chimico.

3. I legami con i silicati possono essere realizzati con varie tecniche. Nel processo CO la sabbia

2

viene mescolata con una sostanza liquida contenente sodio, silicio e acqua. Completata la

realizzazione dello stampo, viene soffiata anidride carbonica per produrre carbonato di sodio è un

gel contenente silicio punto in questo modo si ottiene uno stampo più stabile che consente di

realizzare getti di maggiori dimensioni è più accurati.

4. In un altro caso si usa un fosfato solubile in acqua con un ossido metallico sotto forma di

polvere che funge da induritore per realizzare un legame che non dà luogo a materiali di scarto.

5. La realizzazione di stampi con cemento si basa sull'idratazione del cemento per formare un gel

molto resistente. Si usa un 10- 15% di cemento come legante, soprattutto per produrre grandi getti

in acciaio in colata in fossa. È difficoltoso separare la sabbia dal getto finito.

6. A volte la sabbia viene miscelata con olio vegetale e farina cereale. Quando vengono riscaldati

attorno a 230°C, questi oli formano un polimero punto il processo è rapido e consente di realizzare

stampi molto resistenti, perciò è adatto per la produzione di anime.

7. Un altro possibile legante sono le resine termoindurenti.

I leganti a freddo sono resine termoindurenti che reticolano quando due o più componenti vengono

combinati con un catalizzatore. In una variante il catalizzatore viene trasportato da un flusso d'aria. Altre

resine e differenti catalizzatori sono usati in tecniche in cui è richiesta una cottura a temperatura media

ho relativamente alta. L'uso di resine termoindurenti si è affermato inizialmente per la produzione di

anime resistenti e in seguito è stato adottato anche per la realizzazione di stampi.

8.La formatura sottovuoto si basa sull'osservazione che la sabbia viene mantenuta in posizione se

viene rimossa l'aria. I modelli hanno piccoli fori in modo che un sottile foglio in materiale polimerico,

riscaldato, può essere deposto sulla loro superficie sotto l'effetto del vuoto.Viene poi distribuita

nella staffa sabbia pulita senza legante; la superficie della staffa viene poi sigillata e viene prodotto

il vuoto all'interno della sabbia. A questo punto l'interno del modello viene portato a pressione

atmosferica, si toglie il modello e lo stampo viene assemblato, dopodiché è possibile colare il

metallo. il foglio polimerico brucia e, una volta che il getto sia solidificato, si rilascia il vuoto e la

sabbia perde compattezza.

Compattazione della sabbia

La sabbia, una volta legata, viene compattata con varie tecniche, in funzione della velocità di

produzione e del numero di componenti uguali da produrre.

1. Quando i componenti da produrre sono pochi, la sabbia può essere sparata nella staffa attorno

al modello è spianata a mano. In questo caso è richiesta grande competenza per realizzare una

compattazione uniforme.

2. Nel caso di produzioni in serie, la sabbia viene portata con un nastro trasportatore alla stazione

di formatura degli stampi è lasciata cadere o soffiata sui modelli circondati dalle staffe. La

compattazione avviene poi per via meccanica mediante scuotimento o schiacciamento.

3. Si possono ottenere densità elevate con la compattazione dinamica. la sabbia viene lanciata

con una girante ad alta velocità oppure viene realizzato il vuoto nella staffa e si apre una grande

valvola attraverso la quale la sabbia viene risucchiata nella staffa. in qualche caso si usa un'onda

di pressione determinata dalla detonazione di gas naturale al di sopra della staffa.

4. Quando la pressione è sufficientemente alta (attorno a 7 MPa), la sabbia miscelata con un

opportuno legante, acquisisce una resistenza sufficiente per mantenere l'integrità dello stampo

anche in assenza di staffa (colata senza staffa). Gli stampi con linea di separazione verticale

vengono affiancati l’uno all’altro; si può raggiungere una produzione oraria su singola linea di 250-

750 stampi.

L'elevata resistenza degli stampi riduce anche i movimenti delle pareti durante la colata e la

solidificazione producendo getti di accuratezza maggiore.

A parte nella colata senza staffa, sugli stampi andrebbero posizionati dei pesi; in caso contrario la

pressione esercitata dal fuso solleverebbe lo stampo superiore producendo una fuoriuscita di

metallo.

Normalmente si usa sabbia con granulometria più fine in corrispondenza della superficie interna. Si

possono aggiungere materiali quali carbone e grafite per provocare la formazione di gas a contatto

col metallo caldo, riducendo la penetrazione e l'adesione del metallo alla sabbia. Si ottiene in

questo modo una migliore finitura superficiale e la superficie è esente da difetti. In alternativa si

può applicare un rivestimento sulla superficie dello stampo e delle anime costituito da una

sospensione contenente materiali refrattari.

Le anime aumentano considerevolmente la varietà di forme che possono essere ottenute in

fonderia. Se il peso delle anime è elevato si usano dei supporti metallici che fondono

mescolandosi alla lega del getto.

TECNICHE DI COLATA CON STAMPI A PERDERE E MODELLI PERMANENTI

• Colata in sabbia Abbiamo uno stampo a perdere (lo si nota

dal fatto che gli spessori sono molto

consistenti) in cui la parte colorata di

grigio molto chiaro è occupata dal refrattario, quindi vi sono delle zone bianche (cavità dello

che saranno occupate dal metallo fuso e in grigio più scuro, al centro, è indicata l’anima

stampo)

che servirà per realizzare un foro passante, in quanto le portate d’anima sono alloggiate sia in alto

per questioni di facilità d’inserimento

che in basso e presentano geometria tronco-conica,

dell’anima stessa. materozza aperta all’atmosfera

Inoltre, è presente una (open riser), dove viene

con l’aggiunta di sostanza

posizionato il materiale che reagisce esotermicamente che generano una

reazione esotermica dato il contatto della superficie con l’aria; quindi abbiamo una materozza

e gli elementi d’alimentazione quali

chiusa (blind riser) pozzetto di colata, canale di colata,

è il termine “vent” che significa

pozzo e canale distributore. Da prendere in considerazione

e facilita la fuoriuscita dell’aria dallo stampo quando viene fatto scorrere il metallo.

sfiatatoio

Generalmente lo stampo è realizzato in materiale refrattario, come la sabbia (la quale presenta

elevata resistenza meccanica); in grigio scuro (ai bordi) è indicato il contenitore che racchiude la

sabbia impiegata nello stampo e che viene chiamato staffa (flask). Avendo un semi-stampo

superiore ed un semi-stampo inferiore chiameremo il fondo della staffa con il termine drag, mentre

con “cope” intendiamo dire il l’anima è realizzata in

coperchio della staffa. Si noti anche che

non si tratta di sabbia pura, bensì di sabbia con l’aggiunta di un legante più resistente

sabbia:

rispetto quello che viene impiegato per realizzare lo stampo, che serve a produrre le anime stesse,

cassa d’anima,

chiamato e per evitare che durante il loro trasporto si danneggino, si adottano

leganti che possano offrire maggiore resistenza.

Esaminiamo invece il legante che va ad unirsi al refrattario: deve essere tale per cui il materiale

complessivo costituente lo stampo sia in grado di sostenere la pressione e l’erosione esercitate dal

metallo mentre fluisce nei canali di alimentazione, ma non deve essere troppo resistente in quanto lo

stampo adottato è a perdere. Per cui è opportuno che sabbia e legante siano indeboliti dal calore,

ovvero il calore liberato dal metallo durante il raffreddamento deve rompere, sfaldare lo

stampo in modo da poter estrarre il getto senza grosse difficoltà. È necessario fare attenzione

nella scelta del legante perché, se questo conferisce troppa resistenza al materiale dello stampo, si

riscontreranno maggiori difficoltà di estrazione del getto e il materiale perderà la propria

permeabilità con l’aria. Il legante più economico esistente è l’argilla: quando è secca, è

indeformabile, mentre è lavorabile quando è umida. Il fatto di impiegare argilla umida per gli

stampi, porta a determinate conseguenze: nel momento in cui viene versato il metallo fuso, che

alla temperatura di 800°C o 1000 °C, l’acqua contenuta nell’argilla evapora e tale

potrebbe essere

vapore deve essere rimosso; ma il problema più rilevante è dovuto al fatto che la sottrazione di

acqua fa variare le dimensioni dello stampo; in altre parole del materiale appartenente allo stampo

l’impiego dell’argilla presenta una caratteristica

viene rimosso. Tuttavia, vantaggiosa: quando

l’argilla si secca, non riesce più a reggere la sabbia e quest’ultima si sfalda lasciando integro il

getto, quindi non sussiste il problema della sua estrazione. Non solo: la sabbia è riciclabile e quindi

potrà essere riutilizzata per altri stampi.

Nella finitura del getto sono preferibili granelli di sabbia piccoli, poiché garantiscono una

superficie liscia per il getto (buona finitura superficiale). Tuttavia, granuli piccoli garantiscono

minore permeabilità all’aria, quindi anche in questo si deve scendere ad un compromesso fra granuli

piccoli e grandi. All’aumentare delle dimensioni dei grani di sabbia, aumenta la permeabilità

all’aria. Le anime sono realizzate con terre di migliore qualità e con grani più fini.

Preparazione del modello

Trascurando la progettazione, la fase d’inizio è la realizzazione dei modelli: abbiamo il

semimodello necessario alla realizzazione della cavità dello stampo superiore e quello per la cavità

dello stampo inferiore. Tali modelli sono diversi rispetto il prodotto finale. Per realizzare l’anima

casse d’anima

sono impiegate le (figure con la seguente didascalia: core boxes).

A seguire si prepara il coperchio della staffa, quindi le materozze, il canale di colata ed il canale

distributore; a questo punto viene versata la sabbia e la si compatta.

Prendiamo in riferimento ora la spinta di Archimede: è la spinta esercitata dai fluidi nei quali

vengono immersi determinati oggetti ed è direttamente proporzionale alla densità dei fluidi stessi.

Ora prendiamo in esame i metalli liquidi: la densità dell’acciaio è di 7,87 g/cm³ e quella delle ghise

si avvicina agli 8 g/cm³ dunque la spinta di Archimede per queste ultime è circa 8 volte maggiore

della spinta dell’acqua. Questo significa che lo stampo superiore, quando viene immerso il metallo

fuso, tende ad alzarsi e questo fenomeno non si deve verificare. Pertanto, è necessario posizionare

dei pesi sulla superficie dello stampo superiore in modo tale da farlo rimanere fermo nella sua

posizione quando arriva il metallo fuso, facendo attenzione a non esagerare perché sennò lo stampo

collassa e il canale di scorrimento sparisce. Spesso i due semi-stampi sono tenuti insieme

l’inserimento di spine di centraggio,

mediante perché il metallo fuso fa tendere il semi-stampo

superiore a spostarsi rispetto quello inferiore.

• Colata con stampi sottovuoto In questa variante la sabbia rimane

in posizione se in essa viene creato

il vuoto, ossia viene impiegata una

pompa a vuoto che toglie l’aria

presente nella sabbia. Il suddetto

effetto viene sfruttato utilizzando

dei modelli che sono vuoti al loro

interno, cioè sono cavi. La

caratteristica particolare di questa

variante è che non è richiesto

l’impiego di leganti, di

conseguenza non sussiste il

problema del riciclaggio della

sabbia.

Prima fase. Viene depositato sulla superficie del modello un film in materiale plastico il quale

aderisce fedelmente alla forma del modello, poiché con una pompa a vuoto viene creata una

depressione interna al modello stesso.

Seconda fase. Viene posizionato, al di sopra del modello, il coperchio della staffa, quindi viene

versata la sabbia e si deposita un secondo film plastico al di sopra della sabbia stessa, creando così

anche all’interno di quest’ultima un’altra depressione.

Terza fase. Viene tolta la pompa a vuoto (intanto si sono creati i vuoti sia nel modello che nella

sabbia) permettendo alla pressione atmosferica di penetrare nel modello. Qui il film di plastica

inferiore aderisce alla sabbia perché esiste ancora la depressione in quest’ultima. Dunque la sabbia

risulta compattata sia per via della depressione sia per la presenza dei due film di plastica.

Quarta fase. Si uniscono i due semi-stampi (la procedura indicata viene eseguita anche per il

semi-stampo inferiore) e nella quinta fase si versa il metallo fuso ottenendone il getto.

• Colata in sabbia senza staffa

In questa variante vengono impiegati leganti molto forti che conferiscono agli stampi elevata

Quindi non risulta necessario l’impiego della staffa.

resistenza meccanica. Poiché la massa dello stampo è molto compatta, i

movimenti dello stampo stesso saranno molto ridotti,

pertanto anche le incertezze dimensionali saranno

molto ridotte. La peculiarità di questa tecnica di

colata è la forte produttività. I suddetti stampi sono

realizzati in modo che su ciascuno stampo siano

presenti il semi-stampo inferiore ed il semi-stampo

superiore. Tutti gli stampi sono caratterizzati da

superfici che da una parte hanno la forma del semi-

stampo superiore e dall’altra seguono la forma del semi-stampo inferiore.

Questa tecnica permette di realizzare un nastro trasportatore sul quale vengono posizionati in serie

molti stampi e viene versato in modo automatico il metallo fuso. In riferimento alla figura sopra,

gli stampi vengono realizzati impiegando un magazzino di sabbia-legante (sand) e due oggetti

(ram pattern e swing pattern) che schiacciano il materiale per darne la compattezza desiderata,

quindi vengono raffreddati sul nastro trasportatore. In questo modo si raggiunge un livello di

produzione di stampi che va dai 250 ai 750 pezzi all’ora.

La fonderia viene adottata per produrre in serie componenti meccanici complessi, come basamenti e

testate di motori. Abbiamo uno stampo con anima,

impiegato per realizzare un foro cieco

che c’è uno

molto esteso: è evidente

sbalzo dimensionale abbastanza

rilevante e se scorre aria l’anima tende

ad inclinarsi verso il basso, mentre il

metallo fuso la induce a piegarsi verso

l’alto per via della forte spinta metallo-

statica. Per mantenere in posizione

l’anima vengono adottati degli elementi

metallici fissati nello stampo

(chaplet), cioè elementi metallici che

l’anima quando,

servono a supportare

operativamente, non è possibile

realizzare delle portate d’anima e che

faranno parte del prodotto finito,

esattamente come nel caso dei

raffreddatori interni.

• Colata in conchiglia refrattaria La modalità di colata che stiamo

esaminando non viene molto praticata

in fonderia. Si utilizzano stampi a

perdere che da spessori consistenti

passano a spessori limitati.

Il processo di colata comincia con un

modello ad alta temperatura (hot

pattern) che si trova al di sopra di un

recipiente contenente sabbia ed un legante resinoso (plastica); collegato il modello al recipiente si

rovescia il tutto, cosicché il modello sia in basso mentre il recipiente sia in alto (figura b) e la

sabbia con plastica precipita sul modello: essendo quest’ultimo ad alta temperatura, la plastica

diventa tenera e conseguentemente si va a formare uno strato di sabbia e plastica aderente al

modello stesso. Si mantiene capovolto il recipiente per un tempo sufficiente per far sì che lo

spessore di sabbia e resina sia accettabile, quindi si capovolge ancora una volta il recipiente,

ottenendo una conchiglia di sabbia e resina aderente al modello.

Mediante l’impiego di espulsori si stacca la conchiglia, ottenendo finalmente uno dei due semi-

stampi. Si uniscono successivamente le due mezze conchiglie, mantenendole leggermente staccate

fra di loro con un elemento di serraggio e si inserisce il tutto in un altro recipiente il quale è

mantenuto ad una certa distanza dalla conchiglia appena ottenuta. La distanza di vuoto fra i due

elementi (conchiglia e l’altro recipiente) viene riempita con delle palline metalliche le quali

svolgono una duplice funzione:

1) aiutano la conchiglia a reggere la spinta del metallo fuso;

2) favoriscono un rapido smaltimento del calore.

Gli aspetti positivi di questa tecnica di colata sono in primo luogo la ridotta quantità di sabbia da

impiegare, poiché gli spessori degli stampi sono limitati ed inoltre la rugosità è bassa, quindi gli

indici delle tolleranze dimensionali sono stretti; l’aspetto negativo invece risiede nella sabbia:

essendo legata con la plastica è difficile da riciclare e quindi i processi di riciclaggio sono numerosi

e costosi.

La colata in sabbia è un’economica tecnica di fonderia, ma i

suoi anelli deboli sono l’elevata rugosità superficiale e l’elevata

incertezza dimensionale nei prodotti e questi comportano che gli

spessori minimi ottenibili siano molto consistenti. Per poter

ottenere getti di spessori inferiori, e quindi più precisi, si può

immergere lo stampo in un forno di mantenimento dove è

presente metallo fuso (si veda la seguente figura):

I cerchietti indicano degli avvolgimenti che per induzione

magnetica scaldano il metallo. Immergendo lo stampo nel

recipiente, l’aria viene tolta e il metallo riempirà tutto lo

stampo. Con questa tecnica si possono ottener prodotti più precisi

ma soprattutto di ottima qualità; si noti la mancanza del sistema

di alimentazione e delle materozze.

Alternativamente si può adottare una tecnica meno efficace in cui

invece di avere il sottovuoto, si crea una sovrappressione nel forno,

buttando così dell’aria, che schiaccia il metallo fuso obbligandolo ad

entrare nell’unico canale di scorrimento collegato con lo stampo

posto sopra il forno di mantenimento. Ovviamente l’aria in qualche

modo deve essere eliminata. Il tutto è schematizzato nella figura.

Tecniche di colata con stampo e modello a perdere

In queste tecniche si usa un modello a perdere realizzato con un materiale che viene fuso e fatto

uscire dallo stampo prima di colare il metallo oppure brucia durante la colata.

In questo modo il modello può essere lasciato nello stampo e non c'è più bisogno di piano di

separazione, angoli di spoglia e nemmeno di anime. Le limitazioni di forma sono poche e l'unico

vincolo è che il refrattario possa essere rimosso in qualche modo da tutte le cavità e dettagli

complicati del getto. Nel caso di sculture, qualche volta il refrattario viene lasciato nelle cavità.

I modelli a perdere sono prodotti iniettando il materiale nella cavità di uno stampo apposito, detto

cassa d'anima.

Si pone perciò l'esigenza di poter estrarre il modello dallo stampo; si può ovviare a questa

esigenza realizzando il modello incollando fra loro forme semplici, ognuna ottenuta da uno

specifico stampo. Si possono anche realizzare passaggi interni piccoli e di forma complessa

posizionando anime ceramiche all'interno del modello. In alcuni casi uno stampo in gomma

permette l'estrazione anche nel caso di sottosquadri.

Si deve tenere conto del ritiro del materiale del modello e, nel caso di cavità profonde nella cassa

d'anima, può essere necessario usare angoli di spoglia per l'estrazione.

La microfusione, detta anche colata a cera persa, era già usata nell'antico Egitto e in Cina, ma il

suo uso in ambito industriale si è affermato solo nella seconda guerra mondiale, a causa della

necessità di produrre componenti di precisione in leghe con temperatura di fusione molto alta per i

motori a reazione.

Questa tecnica è in grado di realizzare forme molto complesse perché il modello viene prodotto

con una miscela di cere oppure, nel caso di sezioni molto sottili, una plastica come il polistirene,

completo con il sistema di alimentazione. Sul modello viene depositata una sospensione di

materiale refrattario.

I modelli in cera si producono facilmente in grande quantità mediante stampaggio ad iniezione in

stampi metallici, spesso realizzati con leghe di alluminio che sono facilmente lavorabili. I modelli

possono incorporare anime ceramiche, per esempio per realizzare condotti interni complessi nelle

pale di turbina.

I singoli modelli vengono poi assemblati con canali distributori e di colata, attacchi, tutti in cera, per

costituire un cosiddetto albero, semplicemente fondendo localmente la cera, usando un coltello

caldo tra le due superfici da accoppiare.

Se nel prodotto da realizzare ci sono sottosquadri, figure che impedirebbero di estrarre il modello

dallo stampo stesso, realizziamo più modelli che rappresentino solo una parte del getto da

produrre e poi li incolliamo tra loro.

Si usano due approcci:

Approccio 1

a) Ci sono due semistampi per la produzione del modello, ci versiamo dentro la cera fusa o il

polistirene e aspettiamo che solidifichi;

b) Apriamo gli stampi ed estraiamo il modello in cera;

c) Siccome questa tecnica è usata per prodotti piccolini, risulta conveniente realizzare una

struttura ad albero sulla quale assemblo più modelli, basta scaldarli localmente (il polistirene

è un termoplastico, una plastica che rammollisce all’aumentare della temperatura così come la

cera) e li appiccichiamo alla struttura principale;

d) Inizialmente le strutture ad albero sono immerse in una sospensione (un liquido che contiene

particelle molto piccole che non si vedono neanche). Quando facciamo essiccare il liquido,

sulla superficie della struttura rimane un rivestimento di queste particelle molto piccole, che

quindi seguono molto fedelmente la forma della struttura ad albero utilizzata e la rugosità

superficiale è molto bassa, proprio per le loro dimensioni.

e) Seguono poi ulteriori strati che vengono aggiunti al rivestimento ottenuto inizialmente dalla

sospensione (si parla di “stucco” nell’immagine): diciamo che aggiungiamo altri strati di

materiale refrattario fino a dare un certo spessore, una certa consistenza, alla conchiglia così

ottenuta.

f) Perciò otteniamo in questo modo la conchiglia completa.

g) A questo punto la nostra struttura ad albero subisce un riscaldamento, una cottura in forno, che

serve per due motivi: per dare maggiore resistenza meccanica alla conchiglia che abbiamo

realizzato e per far uscire la cera con la quale avevamo realizzato il modello, perciò la parte

centrale della nostra struttura ad albero è cava e consente la fuoriuscita del materiale del

modello (cera o polistirene). con un’accettabile capacità di resistenza meccanica,

h) A questo punto abbiamo una conchiglia

vuota all’interno perché abbiamo fatto uscire il materiale del modello. Possiamo versare il

metallo fuso e dopo solidificazione rompiamo il tutto. Ovviamente il materiale del modello è

riciclabile, per cui una volta che lo abbiamo fatto uscire, nella fase (g), possiamo riutilizzarlo

per produrre nuovi modelli.

i) Tramite vibrazioni si rompe lo stampo.

j) Il pezzo è pronto. Ci sono delle varianti a questa

tecnica che è stata illustrata come

se dovesse essere eseguita tutta

manualmente, in realtà la

movimentazione delle strutture ad

albero può essere effettuata

tramite robot, perciò non c’è

bisogno di un intervento manuale.

Queste varianti consentono di

aumentare la produttività:

parla di “letto

quando si fluido”,

si intende che la struttura ad

albero passa attraverso una zona

in cui “volano” delle particelle

piccole che aderiscono alla nostra

struttura ad albero.

Rimane il fatto che comunque è

una tecnica caratterizzata da una

successione di fasi abbastanza

lunga, per cui è costosa e si

giustifica in genere per prodotti di

alto valore: gioielleria, ma non

solo.

Anche nella colata a cera persa si può praticare il vuoto nello stampo per favorire il completo

riempimento: il vuoto è sempre un aspetto che migliora la qualità del prodotto, per cui quando si

può lo si usa.

Si ottengono miglioramenti significativi con la colata sottovuoto. Lo stampo viene posizionato

sopra il fuso, con un ugello a contatto col fuso stesso; viene poi realizzato il vuoto nello stampo in

modo che il fuso salga con moto laminare per riempire la cavità. Il canale di colata è quello

distributore sono sufficientemente larghi per evitare che la solidificazione abbia luogo al loro

resa può arrivare all’85-95%.

interno è il liquido in eccesso rifluisce verso il basso. La

Approccio 2

Tecnica lost foam o polycast: il modello non è più in cera ma in polistirene espanso, ovvero ha

una bassa densità perché è sotto forma di bolle con del gas all’interno. Anche il modello in

polistirene può essere realizzato in parti che poi vengono incollate tra loro; ma la differenza

sostanziale con il modello a cera persa è che, mentre prima con la cottura facevamo uscire la cera,

il polistirene non viene fatto uscire dallo stampo. Il calore fornito dal metallo fuso provoca infatti la

vaporizzazione del polistirene del modello, per cui con una sola fase lo sostituiamo con il metallo.

Alla fine possiamo tirare fuori la struttura ad albero e lo stampo in sabbia può essere riciclato;

diversamente nella colata a cera persa, la conchiglia va buttata.

Si possono ottenere forme molto complicate e gli elementi del sistema di alimentazione possono

essere attaccati con resina calda o gomma. Anche questa tecnica permette di ottenere una grande

varietà di forme, senza angoli di spoglia perché il modello viene lasciato all'interno dello stampo per

evaporare e bruciare durante la colata.

La schiuma plastica prima viene rivestita con un materiale refrattario permeabile. La schiuma è

abbastanza rigida ma sarebbe danneggiata dalle alte pressioni di compattazione; viene perciò

supportata da sabbia compattata con vibrazioni e tenuta schiacciata durante la colata. In alternativa

si possono usare palline in acciaio tenute in posizione da un campo magnetico.

Colata con stampo permanente

Nelle tecniche di colata illustrate fino a questo momento, lo stampo veniva distrutto dopo la

solidificazione del getto. Al contrario, nelle tecniche che andiamo a vedere lo stampo viene

riutilizzato un grande numero di volte.

Materiale dello stampo

Il materiale dello stampo deve avere una temperatura di fusione sufficientemente alta in modo da

resistere all'attività erosiva del metallo liquido alla temperatura di colata; deve avere una resistenza

meccanica sufficiente per non deformarsi nell'uso ripetuto e una grande resistenza alla fatica

termica affinché non si verifichino cricche di origine termica che provocherebbero segni sui getti

che potrebbero essere contestabili.

Quando aumenta la pressione, aumenta anche la temperatura. A questo punto non si parla più

solamente di fatica meccanica, ma fatica termomeccanica. Quando noi versiamo il metallo fuso, lo

stampo sarà soggetto ad una pressione bassa, se usiamo la gravità per riempirlo; se invece

applichiamo una sovrappressione elevata, abbiamo fatica termica e meccanica.

Un’altra caratteristica importante è che il materiale dello stampo deve essere tale da non aderire al

metallo fuso che versiamo: non ci devono essere saldature tra i due metalli. Perciò le esigenze

sul materiale dello stampo sono parecchie e questo ci vincola anche nella varietà di leghe che

possiamo fondere all’interno di stampi permanenti. Ad esempio, se uso uno stampo in acciaio, non

potrò fonderci della ghisa all’interno perché la differenza tra le due temperature di fusione non è

molta, per cui andremo a indebolire molto velocemente il materiale dello stampo. In generale gli

stampi permanenti li possiamo usare solo con leghe con temperatura di fusione abbastanza

bassa.

Per colare leghe caratterizzate da alta temperatura di fusione, quali ottoni e leghe ferrose, l'acciaio

dello stampo deve contenere una elevata quantità di carburi stabili in modo che la resistenza

meccanica sia mantenuta a temperature più alte.

Principali leghe trattabili

Le principali sono quelle di zinco (Zn), magnesio (Mg) e alluminio (Al); in qualche situazione si

può andare anche oltre, come per esempio con gli ottoni e in qualche caso anche con le ghise. In

questi ultimi casi gli stampi devono essere rivestiti internamente di materiali, come i carburi, che

siano in grado di sopportare temperature e pressioni elevate.

Rivestimento degli stampi

Anche quando gli stampi non siano rivestiti internamente di carburi, quando si usano queste

tecniche di colata, spruzziamo sempre dei rivestimenti. Nei processi di fonderia come questi,

all’interno degli stampi si instaurano dei gradienti di temperatura altissimi, per cui spruzzando

qualcosa sulla superficie dello stampo (e in effetti è quello che si fa ogni volta che si estrae un getto)

cala moltissimo anche se c’è solo uno strato di 1 mm di sostanza. In questo modo

la temperatura

preserviamo le caratteristiche dello stampo.

Grafite, MoS2, silicone ed altri film riducono l'adesione e facilitano la separazione del getto.

Qualche volta i rivestimenti in refrattario vengono usati con spessori maggiori per ridurre le

fluttuazioni di temperatura sulla superficie dello stampo. È importante l'uniformità dello spessore.

A tale scopo possono essere usati robot.

Progetto degli stampi

Tutti gli stampi permanenti condividono alcune caratteristiche:

1. Una prima esigenza è quella di poter separare facilmente il getto dallo stampo. Di conseguenza la

varietà delle forme che possono essere prodotte è minore rispetto agli stampi a perdere, sebbene si

possa raggiungere una maggiore complessità quando lo stampo viene realizzato componendo varie

parti (per esempio, alloggiamenti per macchine da ufficio, macchine da cucire, seghe a catena, ecc.)

2. Le cavità vengono realizzate grazie a anime metalliche fisse o mobili. La presenza di

sottosquadri obbliga ad usare anime costituite da varie parti in grado di incastrarsi l'una all'altra, che

vengono ritratte con una sequenza fissa. Nel caso di colata in gravità o a bassa pressione si possono

usare anime in sabbia, gesso o grafite che vengono inserite nello stampo permanente.

3. Alloggiamenti nello stampo permettono il posizionamento preciso di inserti (inserti filettati,

elementi riscaldanti, ecc.)

4. Sono necessarie spine per estrarre il getto, soprattutto se il processo è automatizzato. il numero e

la posizione delle spine deve essere scelto in modo da evitare la presenza di segni sulla superficie o

distorsioni che potrebbero dare origine a contestazioni.

Importante che l'estrazione venga fatta presto, prima che avvenga la contrazione su sporgenze dello

stampo, ma bisogna consentire al materiale di solidificare.

5. Il materiale dello stampo non è permeabile all'aria; di conseguenza devono essere presenti degli

sfiati per non intrappolare aria all'interno. A tale scopo possono anche essere usati i giochi lungo il

piano di separazione ed attorno alle spine di espulsione.

Gli stampi permanenti agiscono anche come scambiatori di calore. Prima di iniziare la produzione

lo stampo deve essere portato alla temperatura desiderata (tipicamente 150-200°C con Zn, 250-

275°C con Mg, 225-300°C con Al, e 300-700°C con leghe di Cu). Durante la fase stazionaria della

produzione, il calore liberato dalla solidificazione viene allontanato per mezzo di alette di

L’evaporazione

raffreddamento o mediante circolazione di acqua all'interno degli stampi. dell'acqua

che viene spruzzata sullo stampo prima della chiusura, contribuisce al raffreddamento. Uno stretto

controllo della temperatura degli stampi, della composizione e della quantità di sostanze spruzzate

sullo stampo permette di realizzare oggetti con pareti più sottili ma viene allungato il tempo

necessario per la solidificazione e il tempo ciclo.

In ogni caso la velocità di solidificazione è molto maggiore che con gli stampi in refrattario; di

conseguenza la produttività è maggiore e la dimensione dei grani minore. Inevitabilmente c'è il

rischio che si interrompa prematuramente l'afflusso di metallo fuso alle sezioni più spesse.

Diventa fondamentale che l'alimentazione sia realizzata correttamente; nonostante questo, la

porosità è maggiore rispetto al caso di getti simili prodotti con stampi a perdere.

Lo stampo permanente è sempre più resistente del getto che sta solidificando, perciò si cerca di

evitare l'uso di leghe da fonderia caratterizzate da fragilità a caldo (quelle caratterizzate da grande

intervallo di solidificazione o da una matrice bassofondente).

Esistono alcune varianti di colata in stampo permanente che si differenziano per il metodo e la

pressione di alimentazione.

Colata in gravità

Si basa sugli stessi principi della colata con stampo a perdere, tranne il fatto che lo stampo è

realizzato con un appropriato materiale permanente. La macchina è sostanzialmente un basamento e

sostiene i due stampi, quello mobile è quello fisso. Le macchine adoperate manualmente sono

attrezzate con una siviera con manico lungo ed elementi di serraggio; le macchine automatiche

hanno attuatori idraulici. Se utilizzato con anime meccaniche in più parti oppure anime in sabbia a

perdere, il processo è molto versatile.

Questa tecnica è molto usata con le leghe di alluminio (per esempio, decine di milioni di pistoni per

motori a combustione interna vengono realizzati in stampi con anime suddivise in 5 pezzi), di

magnesio e di rame. Si possono realizzare anche getti di piccole dimensioni in ghisa o acciaio.

Nel caso di colate di leghe di alluminio e magnesio, lo stampo è rivestito con un lubrificante e con

uno strato ceramico, che può essere spesso fino a un millimetro nel caso di ghisa e leghe a base di

rame.

La colata a rigetto è una variante usata soprattutto per prodotti non strutturali, quali oggetti

decorativi come basi cave di lampade, candelabri e piccole statue. Lo stampo viene riempito e, dopo

un certo tempo, rovesciato per svuotarlo del materiale ancora liquido, realizzando un getto cavo con

una superficie esterna di qualità ma una interna molto ruvida.

Colata a bassa pressione

Lo stampo è posizionato esattamente sopra il forno fusorio o quello di mantenimento e il metallo è

alimentato applicando una sovrappressione sul forno che provoca la risalita del fuso verso lo

stampo, garantendo un moto laminare. La solidificazione procede andando dall'alto verso il basso.

La sovrappressione viene tolta quando la cavità è piena di metallo solido; in questo modo le perdite

di materiale vengono minimizzate. Un rivestimento sottile garantisce una qualità

superficiale accettabile. I due semistampi

devono essere tenuti uniti con una forza

sufficiente per resistere a quella generata

dalla pressione del fluido nella cavità. In una

variante del processo si può garantire un

afflusso del metallo ancora più regolare

applicando il vuoto nello stampo.

L'applicazione più frequente di questa tecnica

è nel caso di leghe di alluminio, ma una

variante con stampo in grafite (graphite

mold) è adatta per produrre getti più grandi in

acciaio, per esempio per produrre ruote di

carrozze ferroviarie, come è mostrato in

figura.

Pressocolata

Il termine fa riferimento a tecniche nelle quali la cavità dello stampo viene riempita applicando una

pressione che può andare da moderata ad alta, facilitando il riempimento di dettagli anche

complicati della cavità. I due semistampi sono tenuti attaccati da una forza elevata, perciò le

macchine per pressocolata hanno una struttura simile alle presse idrauliche con due, tre o anche

quattro colonne e sono classificate sulla base della forza di serraggio (fino a 40 MN). Per garantire

una maggiore rigidezza, i due stampi sono normalmente serrati con morsetti mentre il fuso viene

spinto all'interno della cavità, all'inizio lentamente e poi sempre più velocemente, da uno stantuffo.

Il peso del getto può andare da pochi grammi a decine di kg e la velocità di produzione può

arrivare a 1000 colpi/ora, nel caso dei componenti più piccoli.

Esistono due varianti di questa tecnica produttiva:

1. Nel processo a camera calda il metallo liquido è trasferito

allo stampo direttamente dal forno di mantenimento

mediante una pompa immersa a stantuffo, a pressioni fino a

40 MPa.

La turbolenza è minima, si evita l'ossidazione e non si

disperde calore.

In questo modo si possono produrre oggetti di notevole

complessità come strumenti e componenti per il settore

automobilistico. La pompa è soggetta a condizioni critiche.

Nel caso di leghe di zinco o di magnesio le pompe sono

realizzate in acciaio. Non sono stati risolti tutti i problemi di durata delle pompe in ceramica

necessarie per le leghe di alluminio.

In una variante del processo, l'iniezione diretta di leghe di zinco viene effettuata attraverso un

collettore riscaldato e alcuni piccoli ugelli (simili a quelli usati nello stampaggio ad iniezione delle

plastiche) in modo da non avere bisogno di attacchi di colata e canali distributori per aumentare la

resa del processo.

2. Nel processo a camera fredda il forno è separato dalla

pressa. Dal forno viene trasferita al cilindro una quantità

sufficiente di fuso per un getto, spesso in modo

automatico. Il pistone spinge il materiale nella cavità

applicando una pressione che può arrivare a 150 MPa. Il

pistone è esposto per breve tempo alle alte temperature,

perciò si possono trattare leghe con punto di fusione più

alto. Questa variante si usa da molto tempo per leghe di

zinco, di magnesio e di alluminio (per esempio,

alloggiamenti per il cambio o per pompe e per rotori di

motori a gabbia di scoiattolo). Più recentemente viene

usata anche con gli ottoni.

Qualche volta l'acciaio viene colato in stampi in TZM (molibdeno). È fondamentale applicare un

lubrificante alle superfici degli stampi prima di ogni iniezione. Di solito il lubrificante è grafite o

MoS2 in olio che viene poi disperso in acqua. L'evaporazione dell'acqua contribuisce al

raffreddamento.

I compiti ripetitivi di aprire e chiudere gli stampi, rimuovere e raffreddare il getto e inserirlo in una

stazione tagliabava spesso vengono svolti da robot. Alcune prese usano una torretta indexabile

per muovere il getto tra la stazione tagliabava e alcune stazioni dove si eseguono piccole

operazioni di asportazione di truciolo.

Il controllo del processo è fondamentale per la buona riuscita. Nel passato questo compito era

affidato all'operatore della macchina.

Più recentemente, grazie alla migliore comprensione del ruolo delle variabili di processo, è stato

possibile utilizzare strumentazione che, sfruttando la misurazione delle variabili, fornisce l'input a

un microprocessore che controlla il processo. Fra le variabili di maggiore importanza sono la

temperatura del fuso, la quantità di gas disciolti, la distribuzione di temperatura dello stampo, la

velocità dello stantuffo e le sue variazioni lungo la corsa, la pressione nel cilindro e nello stampo e

la composizione del gas.

In una macchina avente una certa capacità, la pressione esercitata diminuisce all'aumentare della

portata del metallo.

Sono aumentate notevolmente le conoscenze sulle velocità e pressioni ottimali di spinta per

ottenere getti di qualità a pareti sottili. Sono disponibili software per progettare gli attacchi di colata

in modo da ottimizzare le velocità; velocità eccessive provocano l'erosione dello stampo e

di gas a causa della turbolenza, un riempimento troppo lento determina prodotti

l’intrappolamento

incompleti e chiusure a freddo (le velocità in corrispondenza degli attacchi possono raggiungere i

40 m/s nella colata di leghe di zinco). La maggior parte delle leghe sono soluzioni solide e, anche

se la modalità di solidificazione tende a bloccare il flusso, le pressioni sono sufficientemente alte

da spezzare le dendriti; diventa perciò possibile riempire anche cavità intricate. Con un adeguato

controllo lo spessore delle pareti può essere ridotto al punto che tutta la sezione trasversale è

caratterizzata da una granulometria piccola tipica delle superfici del getto, aumentando così la

resistenza del prodotto. Al diminuire dello spessore delle pareti le deflessioni elastiche degli stampi

e della pressa diventano significative; per questo motivo spesso si misura la forza agente su ogni

colonna della pressa in modo da eguagliarle.

La porosità rappresenta un grosso problema per le leghe che danno luogo a una soluzione solida

perché la solidificazione è troppo veloce per poter alimentare correttamente le sezioni maggiori; di

conseguenza in genere si cerca di avere microporosità diffusa. L'altra fonte di porosità è il gas

intrappolato durante la colata. È difficile espellere rapidamente l'aria dalla cavità dello stampo. Una

possibile soluzione è l'evacuazione della cavità. In alcune leghe le cavità contengono solo azoto,

perciò le superfici non sono ossidate.

Se la cavità è riempita con ossigeno puro prima della colata, il gas reagisce con la massa fusa per

formare particelle di Al2O3 finemente disperse. Questo processo, chiamato pressocolata senza

porosità, produce getti di qualità superiore anche se può ancora essere presente porosità dovuta a

contrazione o per intrappolamento di idrogeno. Nella pressocolata ad alta pressione le pressioni

sono mantenute ad un livello medio fino a quando il getto è quasi solidificato; a questo punto le

pressioni vengono aumentate a 150 MPa per consolidare il materiale ancora allo stato pastoso.

Colata centrifuga

Quando uno stampo è messo in rotazione durante la colata, il fuso viene spinto verso l'esterno

dalla forza centrifuga sotto una pressione sufficiente per garantire un miglior riempimento dello

stampo. La solidificazione progredisce dalla superficie esterna verso l'interno, perciò la porosità

viene assai ridotta e, poiché le inclusioni normalmente hanno una densità inferiore, si concentrano

verso il centro che, nei componenti a simmetria rotazionale, spesso viene asportato. L’azione

Il movimento forzato dall'azione di taglio determina la formazione di grani cristallini piccoli.

centrifuga può essere applicata a tutte le tecniche di colata se lo stampo è sufficientemente

resistente per supportare la rotazione.

Di solito si distingue tra più varianti in funzione della forma dello stampo.

1. La colata centrifuga vera e propria usa stampi a simmetria rotazionale, essenzialmente dei tubi

in acciaio (protetti da un rivestimento refrattario o anche uno strato di sabbia in verde o essiccato)

oppure in grafite. Il fuso viene versato mentre lo stampo ruota portando alla formazione di un

prodotto cavo come un tubo oppure un anello. Controllando la portata del fuso e spostando il

punto di alimentazione lungo l'asse si possono ottenere tubi lunghi e di grande diametro

caratterizzati da qualità e spessore della parete molto uniforme.

La superficie esterna può non essere cilindrica mentre quella interna rimane cilindrica. La qualità

superficiale è buona all'esterno ma può essere scadente internamente.

2. L'azione centrifuga può essere applicata a tutti gli stampi a

perdere e permanenti. Qualche volta viene prodotto un

componente che a simmetria rotazionale solo in modo

approssimativo (per esempio, una ruota a razze con mozzo

centrale).

3. Componenti di forma qualsiasi sono posizionati attorno a un canale

distributore in modo bilanciato, per esempio nella microfusione. Nella

gioielleria gli stampi per microfusione sono distribuiti attorno ad un

braccio rotante vicino al quale viene posizionato il crogiolo di

mantenimento contenente il metallo fuso. La forza centrifuga

distribuisce il fuso e garantisce un buon riempimento degli stampi.

Colata semisolida

Le porosità dovute alla solidificazione dendritica possono essere minimizzate o addirittura

eliminate e si può ottenere una dimensione inferiore dei grani cristallini mediante varie tecniche.

1. Squeeze-casting

Una quantità calibrata diffuso viene caricata in uno stampo, fatta raffreddare sotto la temperatura

del liquidus e poi lo stampo viene chiuso mentre si completa la solidificazione. Si usano stampi

tipici da forgiatura e il processo rappresenta una transizione tra la pressocolata e la forgiatura a

caldo e produce strutture con granulometria molto piccola e componenti net o near-net-shape.

2. Reocasting

Il fuso è sottoposto ad azione di taglio, per esempio per mezzo di un rotore immerso oppure con

un campo elettromagnetico, durante la solidificazione. La conseguenza è la rottura delle dendriti e

la formazione di una struttura molto diversa mentre il materiale semisolido acquisisce proprietà

tixotropiche.

La tixotropia è la proprietà di alcuni fluidi pseudoplastici di variare la loro condizione quando

sottoposti a sollecitazioni di taglio oppure nel caso di lunghi periodi di quiete. In queste condizioni il

fluido può passare dallo stato di gel a quello di liquido.

3. Tixoforming

Billette prodotte mediante reocasting vengono riscaldate per portarle allo stato pastoso e poi

forgiate. Lo spessore delle pareti può essere una frazione di quello ottenibile per pressocolata,

perciò questa tecnica è usata per i cerchi in lega delle automobili e per componenti dei freni.

4. Tixomolding

Frammenti della lega sono caricati in un estrusore a vite, riscaldati fino allo stato pastoso,

sottoposti ad azione di taglio per rompere le dendriti ed iniettati nello stampo (principalmente con

leghe di magnesio).

Tecniche di finitura

Una volta solidificato il getto viene sottoposto a un certo numero di operazioni ausiliarie prima di

essere pronto per l'uso

1. Quando la colata è eseguita in stampi a perdere, il primo passo è liberare il getto dallo stampo.

Nel caso di colata in verde o in stampo essiccato, il metodo più efficace è l'agitazione meccanica;

la sabbia legata con argilla viene poi riciclata e, con opportune aggiunte, riutilizzata.

Questo è uno dei motivi per cui la colata in sabbia è tuttora un processo molto utilizzato nella

realizzazione di getti di grandi dimensioni anche nella produzione in serie. Nel caso di altri

materiali usati per realizzare stampi il riciclaggio spesso comporta l'uso di apparecchiature ho

processi speciali, perciò il riciclaggio può non essere economicamente conveniente.

2. Le anime legate con resine termoindurenti vengono rimosse con mezzi meccanici, come carichi

pulsanti, vibrazioni ad alta frequenza acqua ad alta pressione.

3. La sabbia residua viene rimossa con la pallinatura. La superficie del getto viene colpita con

palline lanciate da una ruota che gira ad alta velocità. Le palline possono essere in acciaio, ghisa

malleabile o ghisa bianca nel caso di materiali particolarmente duri, oppure di ferro dolce, bronzo,

rame o vetro con i materiali non ferrosi più teneri.

4. Il sistema di alimentazione e le materozze vengono rimossi (prima o dopo la pallinatura)

assieme alle eventuali bave che si formano tra i due semistampi oppure in corrispondenza delle

anime. Nel caso di materiali fragili, il materiale in eccesso viene semplicemente rotto; con i

materiali più duttili diventa necessario segare o rettificare. Spesso per queste operazioni si usano

robot, soprattutto nella pressocolata.

5. La superficie del getto viene pulita con varie tecniche, incluse la sabbiatura, la burattatura con

materiale refrattario o palline in acciaio in ambiente secco o umido, oppure con il decapaggio.

6. Quando i componenti prodotti sono ad alto valore aggiunto, ogni difetto rilevato può qualche

volta essere riparato mediante saldatura senza compromettere la funzionalità del pezzo finito. In

caso contrario, i componenti difettosi sono scartati e rifusi.

Molti getti sono sottoposti a trattamento termico per ridurre le tensioni residue o modificare le

proprietà meccaniche. Per rimediare ai difetti presenti si può tenere presente che la pressione

con un’alta temperatura,

idrostatica aumenta la duttilità mentre viene applicata. Se la combiniamo

le proprietà possono essere migliorate in modo permanente. Nel caso dell’hot isostatic pressing, il

getto viene posizionato in un forno ben isolato che viene poi caricato in uno speciale recipiente a

pressione. viene poi pressurizzato con un gas neutro come l’argo. Si possono raggiungere

Il sistema

pressioni fino a 200 MPa e temperature fino a 2000°C, ma nel caso di componenti in superleghe o

in leghe di titanio usati nei motori a reazione è più frequente adottare pressioni di 100 MPa e

temperature di 1250°C.

Il metallo diventa sufficientemente tenero da provocare la chiusura delle porosità interne sotto la

pressione applicata e, se la superficie dei pori è pulita, si verifica l'adesione e la saldatura allo

stato solido.

Poiché la pressione è applicata in modo isostatico, le variazioni di forma sono trascurabili ma le

proprietà del getto, soprattutto la duttilità, la tensione a rottura e il comportamento a fatica,

migliorano considerevolmente.

Qualità dei getti

Il controllo di qualità e le verifiche in tutte le fasi della produzione sono fondamentali per il

successo dei processi di fonderia. Di solito le proprietà meccaniche vengono controllate su barre

separatamente ottenute per colata. È fondamentale che le velocità di raffreddamento siano le

stesse del getto, in caso contrario i risultati sono inutili. Le velocità di raffreddamento possono

essere ottenute tramite misure dirette sul getto oppure da simulazioni numeriche. Per le verifiche si

usano tutte le tecniche disponibili.

L'analisi visiva è sempre stata usata ed ora viene completata dall'uso dei liquidi penetranti e delle

particelle magnetiche. I maggiori progressi nella qualità di getti sono stati ottenuti con l'uso esteso

delle tecniche di analisi non distruttive, compresi gli ultrasuoni, le correnti parassite, i raggi X e la

tomografia computerizzata per la verifica della qualità interna.

Se da un lato queste procedure sono costose e possono rappresentare la meta del costo di

produzione di un getto, hanno reso la fonderia competitiva in applicazioni fino a questo momento

riservate alla forgiatura. Alcuni esempi sono componenti di qualità per il settore aeronautico e gli

alberi a gomiti per i motori a combustione interna.

Le tecniche di analisi non distruttiva sono particolarmente importanti per rilevare difetti interni,

siano essi dovuti al ritiro durante la solidificazione, alla porosità da gas o ad altre cause.

L’lnternational Atlas of Casting Defects aiuta nella classificazione e nella identificazione delle

cause dei difetti dei getti. Passeremo ora in rassegna alcuni fra i più frequenti difetti che possono

comparire nei getti.

1. Nel caso di stampi a perdere, se il progetto degli attacchi di colata o delle materozze, o la

realizzazione dello stampo non sono eseguiti correttamente si può verificare erosione della sabbia

o suo inglobamento nel getto. Nei casi estremi, su con gli acciai, il fuso penetra nella sabbia e

provoca la formazione di una massa eterogenea. Quando la sabbia si stacca dalla superficie si

attacca al getto.

2. L'inadeguata compattazione della sabbia può provocare il superamento dei limiti di tolleranza

dimensionale a causa dell'eccessivo movimento delle pareti dello stampo, nel caso di colata con

stampo a perdere.

3. Lo spostamento relativo dei semi stampi o delle anime è una causa frequente di superamento

dei limiti di tolleranza.

4. Il metallo può uscire dalla staffa se non sono stati posti pesi in quantità adeguata oppure se la

parete dello stampo è troppo sottile. La fuoriuscita di metallo è segnalata dalla presenza di bava

sottile in corrispondenza del piano di separazione.

L’incompleto riempimento della cavità si può verificare in tutte le tecniche di colata e può essere

5.

provocato da insufficiente fornitura di metallo, sistema di attacchi inadeguato oppure temperature

del metallo o dello stampo troppo basse.

6. Temperature del fuso troppo basse possono anche portare ad un irregolare riempimento dello

stampo e a pieghe. Le chiusure a freddo si formano quando due flussi di metallo si incontrano

senza fondersi completamente; questo evento può essere particolarmente dannoso quando i due

flussi si trovano all'interno di un rivestimento ossidato, come nel caso di leghe contenenti alluminio.

7. Difetti superficiali possono essere causati da gas che si libera dal fuso o che si forma come

risultato di reazione tra metallo e materiale dello stampo.

8. Le cavità di ritiro e la porosità possono diventare visibili quando si rimuovono attacchi di colata e

materozze.

9. Il ritiro durante il raffreddamento al di sotto della temperatura del solidus richiede che lo stampo

non lo ostacoli. Se non si verifica questo, il getto sarà più grande di quanto previsto, avrà tensioni

residue o presenterà distorsioni (le sezioni più sottili rimangono più lunghe). Nei casi estremi, quando il

materiale è soggetto a fragilità a caldo, si verifica frattura nella sezione che solidifica per ultima.

Potenzialità dei processi

Basandosi sugli elementi presentati fino a questo momento è ora possibile concentrarsi sulla

scelta del processo e sul progetto del componente. Si suppone di utilizzare un approccio basato

sul concurrent engineering, mediante il quale sono stati identificati il materiale e la geometria del

componente ed è stato deciso di produrlo con una tecnica di fonderia.

1. Alcune tecniche vanno immediatamente escluse se la temperatura di fusione della lega è troppo

alta.

2. Tra le tecniche di produzione per i metalli, la fonderia permette di realizzare le forme più

complesse, tranne quando debba essere usato uno stampo permanente; in questo caso alcune

forme non possono essere prodotte, per altre è necessario usare anime a perdere oppure anime

permanenti divise in più parti che possano essere retratte.

3. I dettagli superficiali producibili non sono gli stessi per le varie tecniche e, per una specifica

tecnica, per tutte le leghe da fonderia. Alcune tecniche, per esempio la microfusione, sono poco

condizionate dalla lega trattata.

4. La finitura superficiale e le tolleranze raggiungibili sono determinate dalla tecnica e dalla lega

usate. Le tolleranze indicate nella tabella sono riferite al piano di separazione.

5. Il limite massimo delle dimensioni è abbastanza flessibile e spesso viene definito sulla base di

considerazioni pratiche. Per esempio, il peso massimo in pressocolata diminuisce all'aumentare

della temperatura di colata (dallo zinco all'ottone) a causa del carico termico sullo stampo.

All’estremo opposto il limite può essere determinato da fattori fisici come la colabilità della lega.

6. Lo spessore minimo della sezione è determinato dalla colabilità e dalla modalità di

solidificazione ed è perciò una funzione della distanza che il metallo fuso deve percorrere.

7. La porosità è strettamente collegata alla modalità di solidificazione. Si deve ricordare però che

la porosità ed anche cavità di maggiori dimensioni, possono essere accettabili in zone del

componente poco sollecitate mentre la porosità diffusa è accettabile in molti casi.

8. Il minimo diametro di un'anima è fissato dalla resistenza nel caso di anime a perdere e dalla

resistenza e dal riscaldamento nel caso di anime permanenti.

9. Il costo e le caratteristiche produttive sono fattori importanti. Di conseguenza, nel caso di

produzione di pochi prototipi, un basso costo di stampi e apparecchiature farà passare in secondo

piano un elevato costo di manodopera ed esigenze di elevata competenza, il contrario vale nel

caso di produzione in grande serie.

Progetto dei getti

Una volta decisa la tecnica di fonderia, si deve ottimizzare la configurazione del

componente. Dimensioni

A meno che il processo non sia destinato a realizzare un componente net-shape, bisogna

prevedere un sovrametallo per tutte le superfici per le quali sono richieste tolleranze strette.

Tipicamente le tolleranze sono di 1,6 mm per dimensioni fino a 200 mm, che vengono aumentate

di 0,8 mm per ogni ulteriore 200 mm. Alcune tecniche, in particolare conchiglia ceramica,

microfusione e pressocolata sono adatte per realizzare componenti near-net-shape e le tolleranze

possono essere inferiori a quanto indicato.

In qualche caso si fa riferimento a queste tecniche come tecniche di colata di precisione.

Forma

La forma deve essere tale da consentire l'estrazione, per esempio le anime dalle casse d'anima è

il modello dagli stampi in sabbia o in materiale ceramico nelle tecniche con stampo a perdere; il

modello dallo stampo usato per realizzarlo; il getto dallo stampo nelle tecniche con stampo

permanente.

1. Il piano di separazione, quando presente, dovrebbe essere diritto se possibile. la sua scelta è

un aspetto critico perché determina la necessità di usare anime e il loro posizionamento oltre agli

angoli di spoglia. Le anime e il materiale in più necessario per avere la sfoglia aumentano i costi di

produzione. Di conseguenza le spoglie dovrebbero essere scelte in modo da contribuire alla

resistenza meccanica e non dovrebbero interferire col fissaggio e il posizionamento nelle

successive operazioni di asportazione di truciolo.

2. I sottosquadri, che richiedono ulteriori anime nella colata in sabbia ed anime mobili nella colata

in stampo permanente, andrebbero evitati se possibile.

3. Gli angoli di spoglia sono maggiori sulle superfici verso l'interno rispetto a quelle verso l'esterno

e, per garantire la rimozione del componente dallo stampo e di un'anima dalla cassa d'anima,

sono maggiori per piccole altezze rispetto alle grandi altezze. Nel caso di colata in sabbia tali

angoli variano da 6° per pareti basse a 2° nel caso di pareti che superano i 50 mm. Nella

pressocolata gli angoli sono minori con le leghe bassofondenti di zinco. Gli angoli dipendono

anche dalla tecnica produttiva e devono essere concordati con il fornitore. Si possono usare angoli

molto piccoli con le tecniche con modello a perdere.

4. Nelle posizioni in cui deve essere realizzato un foro col trapano bisognerebbe prevedere un

aumento dello spessore, preferibilmente progettato in modo che la punta del trapano entri

perpendicolarmente alla superficie del getto. Quando viene ritenuto opportuno, bisognerebbe In

considerazione l'uso di inserti.

5. Nelle tecniche di colata con stampo permanente gli espulsori andrebbero posizionati dove non

provochino distorsioni e dove l'impronta non sia fonte di contestazioni.

Solidificazione direzionale

La forma del getto dovrebbe essere tale da favorire un fronte di solidificazione che parta dalle zone

più lontane verso l'alimentazione e non dovrebbe impedire l'accesso del fuso alle sezioni più

spesse. Se questo non fosse possibile bisognerebbe aggiungere Raffreddatori per evitare le cavità

di ritiro e la microporosità.

1. La solidificazione direzionale è garantita se la parete è di forma troncoconica convergente

allontanandosi dal punto di alimentazione.

2. Quando non si possono evitare variazioni dello spessore delle pareti, la transizione deve

essere realizzata con raggi di raccordo grandi. Raggi piccoli o spigoli provocano un incremento

delle tensioni nel getto finito, provocano turbolenza durante la colata e ostacolano una completa

alimentazione durante la solidificazione.

3. Sezioni trasversali grandi solo localmente, come quando un raggio di raccordo viene aggiunto solo

alla superficie interna di un angolo o quando due nervature si incrocino, provocano la formazione di

il problema

punti caldi dove si formeranno cavità di ritiro. Come è previsto dalla legge di Chvorinov,

aumenta al crescere della differenza tra i diametri dei cerchi che possono essere inscritti.

Applicando un raggio di raccordo anche alla superficie esterna o sfasando le nervature si riduce il

problema. Anche possibile ridurre la sezione trasversale posizionando un'anima nella sezione più

spessa o accelerando il raffreddamento con raffreddatori esterni. L’uso

4. Parti sottili dello stampo si possono rompere o surriscaldarsi provocando zone calde. di

raggi di raccordo grandi riduce il problema.

Distorsioni

Il getto si distorce se la contrazione viene ostacolata dallo stampo oppure se due sezioni di

differente spessore si raffreddano a velocità diverse. Il ritardo nella contrazione della sezione più

spessa induce tensioni nella sezione più sottile già solidificata.

Rotture a caldo

Materiali soggetti a fragilità a caldo possono rompersi. Devono essere curati in forme semplici che

non diano luogo a tensioni di trazione durante la solidificazione oppure con materiali dello stampo

cedevoli che consentano il ritiro.

La forma dovrebbe essere tale da permettere il manifestarsi di deformazioni senza provocare il

movimento di grandi porzioni dello stampo.

Le razze rettilinee di una ruota potrebbero spezzarsi anche in uno stampo in sabbia; se hanno

forma ad esse possono raddrizzarsi spostando una quantità di sabbia abbastanza piccola e si

possono accorciare durante e dopo la solidificazione; un simile risultato può essere ottenuto

quando il mazzo viene posizionato in un piano diverso rispetto alla parte esterna del cerchio.

Per molti componenti è disponibile una vasta gamma di tecniche produttive. Adottando il

concurrent engineering, le varie tecniche vengono prese in considerazione durante la fase di

progettazione concettuale, per capire quali sono maggiormente adatte e quali siano le loro

implicazioni sul progetto.

I materiali, le dimensioni, i rapporti tra le dimensioni e le tolleranze sono tutti aspetti da prendere in

considerazione in questa fase.

Lavorazioni a caldo

Si è già detto che le temperature superiori a 0,5Tm facilitano la diffusione degli atomi. Di

conseguenza, se il materiale viene deformato a tali elevate temperature molte dislocazioni

spariscono immediatamente; in effetti si verifica che i processi di addolcimento hanno luogo

contemporaneamente alla propagazione delle dislocazioni. A seguito di tali lavorazioni a caldo il

materiale ha una densità di dislocazioni molto minore e, di conseguenza, è meno incrudito di un

materiale lavorato a freddo.

Nella pratica le lavorazioni vengono eseguite a temperature maggiori, quando i processi di

addolcimento sono veloci, ma non così alte da presentare il rischio di una prossima fusione del

materiale (in pratica tra 0,7Tm e 0,9Tm). Poiché 0,5Tm è anche la temperatura minima per avere

ricristallizzazione, si dice anche che le lavorazioni a caldo vengono eseguite al di sopra della

temperatura di ricristallizzazione. Nelle lavorazioni a caldo non necessariamente si ha

ricristallizzazione (ricristallizzazione dinamica); In molti materiali si verifica un riassetto delle

dislocazioni durante la lavorazione, facendosi che le tensioni di flusso siano piuttosto basse. La

ricristallizzazione si può verificare anche nel mantenimento o nel raffreddamento dalle temperature

usate nelle lavorazioni a caldo.

Di conseguenza, l'aspetto caratterizzante delle lavorazioni a caldo non è una struttura ricristallizzata,

ma il verificarsi della propagazione di dislocazioni e del contemporaneo addolcimento del materiale,

con o senza ricristallizzazione durante la lavorazione. Il meccanismo che prevale dipende dalla

temperatura, dalla velocità di deformazione e dalle dimensioni dei grani cristallini.

In generale, la struttura cristallizzata è caratterizzata da grani più piccoli quando le temperature

sono più basse e le velocità di raffreddamento maggiori; si ottiene un materiale caratterizzato da

proprietà superiori con un miglior controllo della temperatura finale.

Poiché tutti i meccanismi di addolcimento richiedono il movimento di atomi, è critica la durata di

questi processi. Questo si traduce nel fatto che nelle lavorazioni a caldo la sensibilità alla velocità

di deformazione è elevata.

Non bisogna confondere la velocità di deformazione nel materiale con la velocità a cui viene

provocata la deformazione stessa. Esistono varie definizioni della velocità di deformazione, nel

caso più semplice è la velocità a cui viene provocata divisa per la lunghezza del componente. Per

determinare la tensione di flusso di un metallo a una specifica temperatura, i campioni vengono

riscaldati a temperatura omogenea e poi schiacciati a velocità di deformazione costante in

macchina nelle quali la velocità della traversa varia in modo programmato in modo da mantenere

la velocità di deformazione costante.

Dalle registrazioni di forza e spostamento si possono ricavare le curve tensione- deformazione che

possono avere vari andamenti.

1. Dopo un picco iniziale, la tensione di flusso diminuisce all'aumentare della deformazione.

Questa riduzione della deformazione è di solito un sintomo di ricristallizzazione dinamica.

2. La curva tensione- deformazione si mantiene sostanzialmente piatta dopo lo snervamento,

indicando che l'incrudimento e l'addolcimento sono praticamente bilanciati.

3. A velocità di deformazione più alte le pensioni aumentano al crescere della deformazione,

indicando che i processi di addolcimento non riescono a bilanciare l'incrudimento.

In prima approssimazione si può dire che la tensione di flusso nelle lavorazioni a caldo sia

determinata esclusivamente dalla velocità di deformazione. Di conseguenza i valori della tensione

di flusso per un certo valore di deformazione possono essere ricavati dalle curve tensione-

deformazione e usati per tracciare una curva in funzione della velocità di deformazione in scala

doppio logaritmica. Nella maggior parte dei casi la linea così definita sarà rettilinea, indicando che

la tensione di flusso plastico nelle lavorazioni a caldo è una funzione esponenziale della velocità di

deformazione, come indicato dalla formula nella slide, in cui C è un coefficiente di resistenza ed m

è l'esponente di sensibilità alla velocità di deformazione.

Il valore di C può essere trovato alla velocità di deformazione pari a 1, mentre m è la pendenza

della linea misurata su una scala lineare. In alternativa, una funzione esponenziale può essere

trovata approssimando la distribuzione dei punti sperimentali. Per uno stesso materiale si possono

trovare valori diversi di C ed m in corrispondenza di deformazioni diverse. C ed m variano anche

con la temperatura; all'aumentare della temperatura aumenta la sensibilità alla velocità di

deformazione, perciò m, ma diminuisce sempre la tensione di flusso plastico, perciò C.

Nella pratica bisogna usare valori sperimentali di C ed m oppure direttamente le curve tensione-

deformazione. È opportuno osservare che tempo e temperatura hanno effetti simili

sull’addolcimento; di conseguenza qualche volta è possibile esprimere tutti i valori di tensione di

flusso per le lavorazioni a caldo con un'unica curva che è funzione di una temperatura modificata

in funzione della velocità di deformazione.

Parlando delle lavorazioni a freddo si è implicitamente assunto che non fossero influenzate dalla

velocità di deformazione. Questo non è completamente vero; Una più completa descrizione del

comportamento dei metalli dovrebbe includere sia la deformazione che la velocità di deformazione.

Quando il materiale viene deformato a temperature comprese tra 0,3T e 0,5T si parla spesso di

m m

lavorazione a tiepido oppure a semicaldo; l'incrudimento è modesto, si ha una maggiore sensibilità

alla velocità di deformazione è la tensione di flusso plastico è inferiore alle lavorazioni a freddo.

Se il valore dell'esponente m è grande significa che servono forze notevolmente maggiori per

deformare il materiale a velocità di deformazione più alte.

Questo si traduce in un maggiore allungamento totale nella prova di trazione perché, quando il

materiale comincia a strizionarsi. In quella sezione si ha l'area Inferiore del provino; se il materiale

fosse insensibile alla velocità di deformazione, quella sarebbe anche la sezione più debole che

arriverebbe alla frattura. Se m è positivo, poiché la deformazione è concentrata nella strizione, la

lunghezza istantanea che si deforma diminuisce improvvisamente.

La velocità di deformazione nella zona strizionata diventa molto più alta rispetto a prima mentre

diventa nulla nelle altre zone del provino. Di conseguenza la tensione di flusso del materiale in

corrispondenza della strizione aumenta e quella zona è in grado di sopportare ulteriore

deformazione. Di conseguenza si deforma il materiale adiacente ed ulteriori sezioni cominciano a

strizionarsi finché tutta la lunghezza del provino è deformata.

Si può perciò dire che l'allungamento totale aumenta al crescere dell'esponente n (esponente di

incrudimento) che determina la deformazione prima della strizione, e al crescere dell'esponente m

(sensibilità alla velocità di deformazione) che determina la deformazione dopo la strizione. Questa

considerazione è particolarmente importante nelle operazioni nelle quali il materiale è soggetto a

trazione.

Superplasticità

In alcuni materiali caratterizzati da una grana cristallina estremamente piccola la deformazione ad

alta temperatura si verifica mediante un elevato scorrimento ai bordi dei grani è una

corrispondente diffusione (essenzialmente, interi grani che scorrono l'uno sull'altro) oppure tramite

diffusione massiva che cambia la forma di interi grani.

Le forze necessarie per deformare possono essere molto basse e, fino a quando le velocità di

deformazione sono mantenute entro i limiti che permettono a questi meccanismi deformativi di

prevalere, si mantiene il comportamento superplastico e si possono raggiungere valori molto

grandi di allungamento (fino a varie centinaia e anche migliaia di deformazione percentuale).

In questo modo tecniche produttive sviluppate per la formatura dei polimeri possono essere

applicate a questi metalli. Dopo il raffreddamento dalla temperatura superplastica molte leghe

diventano piuttosto resistenti.

Bisogna anche sottolineare che gli stessi meccanismi che permettono la deformazione

superplastica sono anche responsabili della modesta resistenza al creep di questi materiali a

grana fine. Perciò i componenti ottenuti per deformazione superplastica possono diventare adatti a

lavorare ad alta temperatura solo dopo aver subito una ricottura. Si ottiene una grana cristallina di

grandi dimensioni caratterizzata da un’area piuttosto piccola di bordi dei grani che garantisce

maggiore resistenza al creep alle basse velocità di deformazione. Questa sequenza di processi è il

fondamento di tecniche brevettate per realizzare dischi turbina in superleghe.

Interazioni tra deformazione e struttura

Fino a questo momento si è assunto che il materiale in lavorazione fosse omogeneo. Nella realtà

le cose possono essere diverse e l'interazione tra i processi deformativi e le caratteristiche

strutturali può essere sfruttata per controllare le proprietà del materiale in servizio. Distruzione

della struttura risultante dal processo di colata

La struttura dei lingotti e delle billette ottenute in fonderia possiede una serie di caratteristiche

indesiderabili. i grani cristallini e la spaziatura tra i rami delle dendriti tendono ad essere grandi,

perciò la resistenza meccanica è bassa; i grani colonnari possono essere orientati in direzioni

sfavorevoli, riducendo ulteriormente la resistenza e la duttilità in alcune direzioni. Di solito sono

presenti gradienti delle concentrazioni, che portano alla formazione di micro- e macrosegregazioni.

La microporosità, tipica della solidificazione dendritica è spesso presente e ci possono anche

essere profondi coni di ritiro.

La presenza di gas può portare a difetti nel corso della solidificazione. Le lavorazioni a caldo

rappresentano il metodo più efficace per eliminare caratteristiche potenzialmente pericolose perché:

1. Il movimento forzato di atomi favorisce la ricristallizzazione è una composizione uniforme nella

massa. La conseguenza sono grani più piccoli è una più rapida omogeneizzazione. In generale si

assume che sia necessaria una riduzione di almeno il 75% (epsilon > 1,4) per distruggere la

struttura derivante dalla colata. Eventualmente è possibile invertire la direzione della deformazione

per raggiungere il valore necessario di deformazione senza cambiare la forma complessiva.

2. I pori vengono compressi fino a quando le loro pareti si toccano; se pressioni e temperature

sono sufficientemente alte, adesione e saldatura allo stato solido eliminano questo tipo di difetto se

le pareti dei pori erano originariamente libere da contaminanti. Bisogna anche sottolineare che le

cricche orientate nella direzione della forza applicata molto probabilmente tenderanno ad aprirsi

piuttosto che a chiudersi.

3. La deformazione estende in modo rilevante gli ossidi e gli altri film interni di contaminanti. Le

conseguenze dipendono dal tipo di inclusioni.

a) Le inclusioni fragili vengono rotte in frammenti piccoli attorno ai quali si può avere saldatura

per pressione. Di conseguenza, anche se le inclusioni rimangono nel materiale, possono

essere rese innocue dal punto di vista delle proprietà meccaniche. Questa affermazione è

vera anche per i film di ossido che possono essere presenti sulle superfici interne dei pori e

nei coni di ritiro.

Poiché i composti intermetallici sono generalmente fragili, anche questi possono essere rotti

durante la deformazione.

b) Le inclusioni duttili verranno allungate e possono peggiorare considerevolmente le proprietà

meccaniche del materiale.

c) Le grosse inclusioni di ossidi e scoria presenti nei coni di ritiro impediscono la saldatura e

causano la formazione di lamelle nei prodotti lavorati a caldo.

4. Lingotti vengono di solito sottoposti a una sequenza di passi di lavorazione a caldo e la

ricristallizzazione che si verifica durante o nelle pause tra i passi sostituisce la grana di grandi

dimensioni risultante dalla colata con una struttura fine ed equiassica caratterizzata da proprietà

meccaniche molto migliori.

5. Le inclusioni e le particelle della fase secondaria, distribuite in modo più o meno casuale,

vengono allineate e, entro certi limiti, orientate nella direzione della deformazione maggiore.

Questa fibratura meccanica provoca anisotropia che può essere praticamente indipendente dalla

direzionalità della struttura cristallina.

Normalmente nella direzione in cui sono orientate le fibre dominano le proprietà della matrice,

perciò la resistenza e la duttilità sono alte. Quando il materiale viene caricato (durante il processo

produttivo o in servizio) in direzione trasversale, le inclusioni agiscono come innalzatori di tensione.

Di conseguenza una serie di proprietà come la resistenza meccanica e, in misura maggiore, la

resistenza all'impatto, la resistenza a fatica e la duttilità peggiorano.

6. L'andamento delle fibre può essere evidenziato mediante attacco chimico. La struttura fibrosa

sviluppata nei passaggi precedenti viene distorta da successive lavorazioni e l'attacco di una

sezione trasversale evidenzia le linee di flusso e costituisce uno strumento molto utile per lo studio

del flusso del materiale. Anche in assenza di inclusioni o di particelle di una fase secondaria, le

linee di flusso mostrano quando l’omogeneizzazione non è perfetta e rimangono tracce di

microsegregazione. Per esempio, questo si verifica negli acciai quando i grandi atomi di fosforo

rimangono segregati anche dopo pesanti passaggi di lavorazioni a caldo.

Tensioni

Le sollecitazioni esterne agenti su un corpo possono essere di tipo concentrato o distribuito.

In entrambi i casi tali sollecitazioni provocano la formazione di tensioni all'interno del corpo. Per,

comodità nello studio degli stati tensionali, anziché fare riferimento a un punto ci si riferisce ad un

elementino cubico piccolo a piacere. Esistono infiniti possibili stati tensionali, si è già parlato degli

stati tensionali di trazione e di compressione monoassiale, citati parlando delle prove di trazione e

di compressione.

Su un elemento possono agire tensioni normali e tensioni tangenziali, le tensioni normali vengono

,  . 

sempre indicate con la lettera greca quelle tangenziali vengono indicate con oppure con xy

sta ad indicare che la tensione è orientata lungo x ed agisce su una superficie ortogonale a y.

 

Vale sempre la seguente uguaglianza: =

xy yx

In ogni punto del corpo la tensione o stato tensionale è dato dalla matrice che vedete, detta

tensore delle tensioni.

Il valore delle componenti dello stato tensionale in un punto dipende, oltre che dalle sollecitazioni

agenti, anche dal sistema cartesiano scelto.

Qualunque sia lo stato tensionale agente, è sempre possibile individuare una terna di assi

cartesiani per i quali le tensioni tangenziali sono nulle

Le tensioni provocano deformazioni

È possibile definire anche un tensore delle deformazioni

      

Le deformazioni normali sono indicate con la lettera (=> , , oppure , , )

x y z xx yy zz

       

Le deformazioni tangenziali sono indicate con le lettere o (=> , , oppure , , ) Le

x y z xy yz zx

relazioni che collegano tensioni e deformazioni sono dette leggi o equazioni costitutive

Criteri di resistenza

Uno stato tensionale è, in generale, triassiale, cioè le tensioni agiscono in tutte le direzioni.

L’analisi risulta più semplice se il sistema di coordinate è orientato in modo tale che le tensioni di

taglio si annullino e agiscano solo le tre tensioni normali. In questo caso le tre tensioni normali

  

sono chiamate tensioni principali e vengono indicate come , , .

1 2 3

Affinché si abbia flusso plastico la combinazione di tensioni deve soddisfare il criterio di resistenza.

Sono stati formulati vari criteri di resistenza per descrivere il verificarsi della deformazione plastica

collegando le tensioni principali alla tensione applicata nella prova di trazione e in quella di

compressione.

In questo ambito ci interessiamo di deformazioni plastiche elevate, perciò faremo riferimento alla



tensione di flusso plastico . con i metalli vengono spesso usati due criteri. Il criterio di Tresca e

f

dato dalla formula presentata nella slide:



Dove è la tensione principale positiva più grande e sigma è la tensione negativa più grande

max min

in valore assoluto.

Il criterio di resistenza dovuto a Von Mises è dato dalla formula: 

Il significato dei due criteri può essere chiarito esaminando stati tensionali nei quali = 0, cioè

3

stati di tensione piana.

Per facilitare la comprensione si può pensare a un piatto nel quale la direzione di laminazione sia



arbitrariamente assunta come Sigma 1 mentre la larghezza sia nella direzione di .

2

Il flusso plastico può essere attivato in vari modi:

1. Se un provino di trazione è tagliato nella direzione di laminazione, si verifica, in base a entrambi



i criteri, in corrispondenza della tensione di flusso (punti 1, corrispondenti alle 2 direzioni nel

f

piano del piatto)

2. Cilindri tozzi tagliati nelle stesse direzioni possono essere sottoposti a prova di compressione e



normalmente si troverà che il materiale fluisce alla stessa tensione (punti 2)

f

3. Quando il piatto viene gonfiato da un punzone ho da un fluido soggetto a pressione (come un

palloncino gonfiato dall'aria), le due tensioni principali agenti nel piano del piatto sono uguali



(trazione biassiale simmetrica) e devono raggiungere il valore (punti 3).

f

4. Una condizione di carico molto importante viene realizzata quando la deformazione del pezzo

viene impedita in una delle direzioni principali (deformazione piana). Questa condizione può

essere dovuta a due cause.

a. Un elemento dell'attrezzatura mantiene una dimensione costante (figura a sinistra),

b. solo una parte del pezzo viene deformata e la porzione adiacente, indeformata, esercita

un'azione di contenimento (figura a destra).

In entrambi i casi, il contenimento impone una tensione sul materiale in quella direzione principale;

quella tensione è la media aritmetica delle altre due tensioni principali (punti 4 in figura). Si noti

che, mentre in tensione piana esistono solo le due tensioni visibili in figura, nella condizione di

deformazione piana esiste anche la terza tensione principale che qui non è illustrata.



La tensione necessaria per deformare è ancora in base al criterio di tresca, che non prende in

f

considerazione la tensione principale intermedia. In base al criterio di Von Mises la tensione



necessaria è più alta, 1,15 , il cui valore viene spesso indicato come 2k. Questo valore viene

f

anche chiamato tensione di flusso plastico in deformazione piana.

La condizione di deformazione piana può essere imposta anche in trazione, punti 4.

5. Se un cilindro viene tagliato è sottoposto a torsione, le principali sulla superficie del cilindro sono

uguali in valore assoluto ma hanno segni opposti (punti 5). Questa è la condizione di taglio puro e



si verifica flusso plastico alla tensione di flusso plastico tangenziale TUF, che vale 0,5 in base al

f



criterio di tresca e 0,577 in base a von Mises.

f

La tensione di flusso plastico tangenziale basata sul criterio di Von Mises spesso viene indicata

con k.

Una considerazione importante è che, se nel corso di una deformazione per compressione, Si

applica una tensione trasversale di trazione, La tensione di compressione necessaria per

deformare plasticamente si abbassa. Questa considerazione offre un'opportunità per ridurre la

pressione sugli stampi.

6. Una condizione particolare è quella che si verifica quando le tre tensioni principali sono uguali

(stato di tensione idrostatico).

Un'analisi dei criteri di resistenza mostra che la sovrapposizione di una tensione idrostatica ha

l'effetto di spostare tutte le tensioni principali della stessa quantità, perciò non cambia il criterio di

resistenza e il flusso plastico si verifica per lo stesso valore di tensione equivalente.

Si può notare che per alcuni stati tensionali von Mises predice che la tensione equivalente deve

essere più alta del 15% rispetto alla tensione di flusso plastico monoassiale. Non tutti i materiali

seguono il criterio di Von Mises ma, per cautelarsi, nel seguito del corso si indicherà sempre 1,15

 (= 2k) quale tensione di flusso plastico in deformazione piana.

f 

In tutti i calcoli la tensione necessaria per proseguire nella deformazione plastica, deve essere

f

scelta per i valori prevalenti nel processo di temperatura, deformazione e velocità di deformazione.

Lo scopo in generale non è semplicemente quello di iniziare la deformazione plastica, ma di farla

proseguire.

Di conseguenza nelle lavorazioni per deformazione plastica la tensione di snervamento non è

molto importante, la penso di riguarda il tratto di curva tensione deformazione definito dalle

condizioni iniziali del materiale e dal valore finale di deformazione.

2. Nelle lavorazioni a freddo si può assumere di poter usare la legge esponenziale e, quando

disponibili, si dovrebbero usare i valori K ed n. Nelle lavorazioni a caldo la tensione di flusso

plastico può essere derivata dalla funzione esponenziale con i valori appropriati di C ed m.

Se questi valori non sono disponibili per vari valori della deformazione, si deve assumere che la

tensione di flusso plastico rimanga costante nel corso della deformazione. Se non sono disponibili

C ed m, bisogna fare una prova di compressione.

Non è normalmente accettabile usare i valori a caldo determinati da una normale prova di trazione

lenta perché questi rappresentano di solito solo una frazione del valore di tensione di flusso

plastico prevalente a valori molto più alti di velocità di deformazione, normalmente compresi tra 1 e

-1

1000 s che prevalgono nelle lavorazioni di tipo deformativo.

Estrapolare i dati da prove fatte a bassa velocità di deformazione per applicarli ad alte velocità di

deformazione è pericoloso perché cambia anche m.

Si deve osservare che le costanti usate nel calcolo della tensione di flusso plastico dipendono

anche dalle condizioni iniziali del materiale. I dati riportati nelle due tabelle sono rappresentativi di

materiale inizialmente allo stato ricotto.

In qualche caso, per un materiale vengono forniti due valori. Questi rappresentano gli estremi dei

valori trovati in letteratura.

Attrito e lubrificazione

Nei processi deformativi il materiale in lavorazione è a contatto con un utensile; di conseguenza, è

inevitabile l'attrito fra i due corpi a contatto. Di norma, lo scopo è quello di ridurre l'attrito mediante

l'applicazione di un lubrificante. Nel settore meccanico l'attrito viene di solito quantificato per mezzo

,

del coefficiente di attrito la cui formula è:

Quando la pressione all'interfaccia, p è bassa rispetto alla tensione di flusso plastico dei materiali a

contatto, il coefficiente di attrito rappresenta uno strumento che permette correttamente di valutare



l'attrito all'interfaccia. Al crescere della pressione p, la tensione tangenziale all'interfaccia cresce

i

in modo direttamente proporzionale e la costante di proporzionalità è proprio il coefficiente di

attrito.

Nei processi deformativi uno dei materiali a contatto (il pezzo) si deforma e così facendo scorre

sulla superficie del materiale più duro, quello dell'utensile. Anche in questo caso viene generata

 

una tensione tangenziale , ma in questo caso esiste un limite superiore al valore che può

i i

assumere, la tensione di flusso plastico tangenziale del materiale del pezzo. A questo punto il

materiale del pezzo non scorre più sulla superficie dell’utensile; piuttosto, si deforma mediante

scorrimento al proprio interno.

 

Poiché = 0,5 , a volte si dice che il valore massimo del coefficiente di attrito sia 0,5. Questa

f f 

affermazione è vera solo quando p = ; quando la pressione aumenta ulteriormente il valore

f

massimo del coefficiente di attrito si abbassa ulteriormente, come viene illustrato dalla figura a

destra.

In generale è più corretto dire che il coefficiente di attrito non rappresenta correttamente la

 

condizione all'interfaccia quando = , perché, a partire da tale condizione, non verifica più

i f

scorrimento all'interfaccia. Si dice che è stata raggiunta la condizione di sticking, anche se il pezzo

effettivamente non aderisce alla superficie dell’utensile.

A causa delle problematiche introdotte dal coefficiente di attrito, spesso si preferisce usare il valore



di come riferimento, soprattutto quando le pressioni all'interfaccia sono molto alte.

i 

In alternativa, può essere espresso come frazione della tensione di flusso plastico e il rapporto

i

tra le due grandezze, m* oppure m, viene chiamato fattore di attrito.

In caso di assenza di attrito, m = 0; in condizione di sticking, m = 1. Nel seguito verranno usati sia il

coefficiente che il fattore di attrito. L'attrito aumenta sempre le pressioni e le forze e potrebbe

abbassare il limite della deformazione ottenibile, perciò nella maggior parte dei casi le aziende si

impegnano a fondo per ridurre l'attrito con un opportuno lubrificante.

Oltre a ridurre l'attrito, un buon lubrificante svolge altri compiti.

Separa le superfici degli utensili e del materiale in lavorazione; in questo modo previene l'adesione

evitando effetti collaterali quali il danneggiamento dell'utensile e la sua usura.

In particolare, riduce l'usura dovuta all'abrasione e ad altri meccanismi, Influisce sulla qualità della

superficie prodotta, raffredda il sistema nelle lavorazioni a freddo e rallenta il raffreddamento nelle

lavorazioni a caldo.

Il lubrificante non deve essere tossico, deve essere facile applicarlo e rimuoverlo, gli eventuali

residui non devono interferire con le operazioni successive o provocare corrosione.

Spesso i lubrificanti vengono classificati sulla base delle pressioni che sono in grado di sopportare.

I lubrificanti per alte pressioni su di svolgere la loro funzione anche in presenza di forte espansione

della superficie e con temperature più alte, contribuendo a ridurre attrito ed usura.

Nel caso di lubrificazione a bassa pressione, è sufficiente una soluzione acquosa. Le emulsioni

(dispersioni di una fase oleosa in acqua) e lubrificanti a base oleosa possono essere formulati per

una vasta gamma di pressioni miscelandoli con additivi EP (per alte pressioni) e con sostanze

boundary.

Nel caso di lavorazioni a freddo molto pesanti, la rottura dello strato lubrificante può essere evitata

solo applicando un rivestimento di conversione (nel caso degli acciai, uno strato di fosfato di zinco)

sulla superficie. La struttura di questo rivestimento garantisce che venga trattenuto il lubrificante

applicato superiormente (spesso un sapone che reagisce chimicamente col rivestimento) e

permette l'estensione della superficie senza perdita di continuità del film superficiale.

Grazie alla loro base acquosa, sostanze sintetiche o emulsioni sono fondamentali se il

raffreddamento è importante, sia nelle lavorazioni a caldo che a freddo.

Composti come la grafite ho il bisolfuro di molibdeno (MoS ) sono in grado di sopportare alte

2

temperature, ma l'esigenza di ambienti più puliti ha innescato la ricerca di alternative.

Per minimizzare i costi e l'impatto sull'ambiente, i lubrificanti spesso sono applicati in sistemi con

ricircolo che incorporano serbatoi (che possono essere molto piccoli o arrivare a capienza

dell'ordine di 400 000 litri), pompe per sviluppare la pressione necessaria, uccelli che alimentano

nei punti strategici, zone di raccolta e condotte di ritorno.

Componenti essenziali sono i filtri che possono essere semplicemente in tessuto metallico o

strutture complesse in grado di assorbire i fumi generati nel processo, allontanare i composti

indesiderabili formati nell'interazione metallo/ lubrificante e, se possibile, separare i contaminanti

dell'olio raccolti nella macchina.

Lo stato del lubrificante è tenuto sotto controllo e si fanno aggiunte appropriate per mantenere

nelle specifiche concentrazioni e composizione.

Alcuni lubrificanti, soprattutto le emulsioni, sono soggetti ad attacco da parte di organismi e

bisogna aggiungere sostanze per prevenire questo effetto e lo sviluppo di odori sgradevoli.

Anche con le maggiori cure, a un certo punto è necessario sostituire il lubrificante. Il lubrificante

vecchio è raccolto da aziende di riciclaggio specializzate che lo riportano nelle condizioni iniziali, lo

trasformano in modo che sia utilizzabile in altre applicazioni o lo rendono adatto allo smaltimento

mediante combustione. Alcuni lubrificanti sono difficili da riciclare o contengono componenti

pericolosi; in questo caso lo smaltimento può diventare estremamente costoso. Per tutte queste

ragioni la scelta del lubrificante è critica e il lubrificante deve essere considerato una parte

integrale del sistema fin dall'inizio.

Spesso è necessario rimuovere i residui del lubrificante. I residui organici sono rimossi

sgrassando. Nello sgrassaggio con solventi spesso si usano sostanze a base di cloro ma, poiché

alcuni di questi danneggiano lo strato di ozono o sono potenzialmente cancerogeni, sono stati

progressivamente sostituiti da altre operazioni in cui si usa acqua additivata con sostanze alcaline

e un successivo risciacquo. Quando lo sgrassaggio con solventi è inevitabile, bisogna usare

sistemi chiusi o sistemi in cui il recupero sia totale per non avere dispersione di solvente. Questa

esigenza si estende anche al lo sgrassaggio con vapore in ambienti saturati col vapore del

solvente; il vapore condensa sulle parti più fredde e i residui di olio vengono lavati. I lubrificanti

devono essere scelti anche in funzione della compatibilità col sistema di sgrassaggio scelto.

Una tendenza è anche quella di minimizzare la quantità di lubrificante e di mantenere la quantità di

nebbia dovuta a olio al minimo.

Anche i metodi di smaltimento sono sottoposti a regolamentazione, perciò anche questi aspetti

devono essere presi in considerazione nella scelta del lubrificante.

Ring compression test Quando un anello viene schiacciato tra

piastre piane in assenza di attrito, si

espande come se fosse un cilindro pieno.

L'attrito ostacola l'espansione, perciò il

foro si espande in misura minore e, ai

valori più alti di attrito, in effetti diventa più

piccolo. Per questo motivo il Ring

compression test si è affermato come

metodo di valutazione dei lubrificanti.

Anelli caratterizzati da un rapporto tra le

dimensioni pari a 6:3:2 tra diametro

esterno, diametro interno ed altezza sono

usati normalmente a questo scopo. Una minore contrazione del diametro interno sta ad indicare un

miglior lubrificante per operazioni di ricalcatura. Si possono ottenere valori approssimati del

coefficiente e del fattore di attrito da curve.

Lavorabilità massiva

Una volta stabilito che un processo è fattibile dal punto di vista di pressioni e forze, ci si vuole

garantire che il materiale possa sopportare la deformazione impressa senza rompersi. Un

materiale con una certa duttilità può comportarsi in modo molto differente nei vari processi, in

funzione delle condizioni imposte. Di conseguenza, in questo ambito non ci interessa la semplice

duttilità del materiale, ma una proprietà più complessa che chiameremo lavorabilità nelle

lavorazioni per deformazione plastica.

Sappiamo già che una frattura duttile è indotta da tensioni di trazione triassiale e che l'imposizione

di una pressione idrostatica ritarda la frattura. Di conseguenza la lavorabilità è costituita da due

componenti:

1. La duttilità base permette al materiale di deformarsi fino a un certo punto senza rompersi, anche

di tensioni di trazione. Per questo motivo la riduzione d’area misurata in una prova di

in presenza

trazione è una valida misura della duttilità base; essenzialmente è una misura della resistenza alla

formazione di vuoti. Possibili misure alternative sono il numero di rotazioni in una prova di torsione

prima di giungere a rottura la riduzione in altezza in prove di compressione progettate per

generare elevate tensioni secondarie di trazione.

La ricalcatura in condizioni di sticking alle superfici d'estremità provoca un forte barreling e, di

conseguenza, fratture sulla superficie in un materiale a bassa duttilità, come è mostrato nella

figura a sinistra. Le tensioni di trazione sono maggiori in un provino con collare (figura al centro)

oppure in una prova di indentazione su larghezza parziale.

2. Lo stato tensionale indotto dal processo modifica la duttilità. Se il processo mantiene tensioni di

compressione in ogni punto del materiale, cioè prevale la pressione idrostatica, non si formano

cavità e non si può avere frattura duttile. A valori molto alti di deformazione si può esaurire la

duttilità del materiale e provocare frattura fragile dovuta a taglio.

Se il processo è tale da provocare la formazione di tensioni di trazione, si ha la formazione di

cavità che porteranno a frattura. Per stabilire quando parta la frattura si usano i criteri di

lavorabilità, nessuno dei quali si è dimostrato valido in tutte le situazioni.

Un criterio di semplice formulazione è quello di Cockroft e Latham che stabilisce che per un certo

metallo il lavoro prodotto dalla tensione di trazione più alta deve raggiungere un valore critico. Ne

deriva che se si riesce ad impedire la formazione di tensioni di trazione secondarie, la

deformazione può raggiungere valori molto più alti, proprio come la frattura nella prova di trazione

viene ritardata dalla pressione idrostatica. Di conseguenza, uno degli obiettivi più importanti nel

  

progettare un processo è l'aumento del componente di pressione idrostatica = ( + + )/3

H 1 2 3

Formabilità delle lamiere

Nelle lavorazioni di tipo massivo i limiti di deformazione sono stabiliti dalla lavorabilità del

materiale. L'integrità di una lamiera è collegata alla sua formabilità, che è una proprietà complessa

e deve essere collegata alle possibili definizioni di difetti inaccettabili nelle lamiere.

1. La prima contestazione che può emergere deriva dal fatto che una lamiera sottoposta a trazione

possa avere un aspetto granulare, detto buccia d'arancia.

Questo deriva dalla struttura policristallina dei metalli i singoli brani sono orientati lungo direzioni

cristallografiche differenti e si deformano in misura diversa. La superficie ruvida non ha

conseguenze sull'integrità strutturale del componente. Se l'aspetto granulare è contestabile per

esigenze estetiche, un materiale con grana più piccola darà luogo ha una ruvidità su scala così

piccola da essere invisibile a occhio nudo.

2. In alcuni materiali lo snervamento discontinuo provoca la formazione di bande superficiali, dette

bande di Luders. Anche queste striature sono innocue dal punto di vista strutturale, ma possono

essere contestabili su superfici esposte. Una volta che tutta la superficie ne sia ricoperta, non sono

più distinguibili.

3. La strizione localizzata peggiora l'aspetto e anche le proprietà funzionali possono essere

compromesse. Anche se il componente non si rompe, la sua capacità di sostenere ulteriori carichi

peggiora notevolmente.

Una volta che la strizione si è localizzata, l'ulteriore deformazione avviene mediante

assottigliamento locale, fino a quando parte la frattura. La deformazione dopo strizione dipende

dall'esponente m. Nelle lavorazioni a freddo, anche un leggero aumento di m, per esempio da 0 a

0,05, è utile; nelle lavorazioni a caldo un elevato valore di m permette una sostanziale

deformazione dopo la strizione mentre lo spessore rimane ragionevolmente uniforme (se m = 1, la

lamiera si assottiglierebbe in modo totalmente uniforme).

(Una maggiore riduzione d'area rende possibile un ulteriore assottigliamento della lamiera senza

che ci siano fratture, ma la capacità del componente di sopportare carichi può annullarsi se

localmente si raggiunge un assottigliamento eccessivo).

In conclusione, un metallo adatto per produrre grandi deformazioni su lamiera deve essere

caratterizzato da grande allungamento uniforme (n grande) e da una grande deformazione dopo

strizione (m grande).

Nella pratica industriale un grande allungamento totale nella prova di trazione è sempre stato

considerato una caratteristica desiderabile; questo concetto si traduce in una combinazione di

elevati valori degli esponenti n ed m, ed è fondamentalmente corretto. Per un certo materiale la

duttilità diminuisce all'aumentare della durezza, perciò si è soliti specificare la durezza in aggiunta

o al posto dell'allungamento.

Una certa duttilità è considerata un criterio necessario ma non sufficiente; in aggiunta, un

materiale non dovrebbe esibire bande di Luders e dovrebbe avere una anisotropia favorevole.

Proprio come nella deformazione massiva, i limiti della deformazione dipendono anche dallo stato

tensionale generato nel processo.

Leghe ferrose per deformazione plastica

In tutti i processi deformativi la forma voluta viene ottenuta spostando il materiale da posizioni

indesiderate alle posizioni richieste per ottenere la forma stessa. Questo significa che il materiale

deve essere in grado di deformarsi plasticamente senza fratturarsi. In generale, possiamo dire che

le leghe adatte per i processi deformativi devono avere un'attività commisurata all'entità della

deformazione che devono subire. Questa esigenza è ampiamente soddisfatta da tutti i metalli puri

aventi un numero sufficiente di sistemi di scorrimento e anche dalla maggior parte delle soluzioni

solide ottenute a partire dagli stessi metalli.

I sistemi bifasici e multifasici sono deformabili se soddisfano un certo numero di requisiti. Non devono

essere presenti fasi liquide o fragili al bordo dei grani o che attraversino vari grani. Di conseguenza Le

ghise grigie, le ghise bianche e il sistema ipereutettico Al-Si non possono essere lavorate a freddo.

Quantità eccessive di costituenti fragili non sono accettabili anche se la matrice è duttile, soprattutto se

il costituente fragile è anche lamellare o suddiviso in grani di grandi dimensioni.

Se la matrice non è particolarmente duttile diventa ancora più importante che nel materiale non

siano presenti altre caratteristiche che lo possano indebolire, quali inclusioni, vuoti o contaminanti

ai bordi dei grani.

Gli acciai rappresentano la fetta maggiore tra le leghe per deformazione plastica.

Sia gli acciai che altre leghe vengono normalmente disossidanti per evitare porosità da gas. In

base alla tecnica usata per disossidare, si possono distinguere varie categorie di acciai.

1. Gli acciai effervescenti non sono disossidati. Il carbonio reagisce nel fuso con l'ossigeno per

formare monossido di carbonio. Poiché questo gas è riducente, le grosse bolle che si formano

hanno superfici pulite e, alle elevate temperature e pressioni prevalenti nelle lavorazioni a caldo, si

saldano senza lasciare traccia. Un vantaggio derivante dalla presenza di un gran numero di bolle

formate durante la solidificazione è la sostanziale assenza del cono di ritiro.

Le bolle sono presenti soprattutto a una certa distanza dalla superficie e provocano la

concentrazione dei contaminanti verso il centro, determinando una evidente segregazione normale

che si mantiene in tutte le fasi del processo produttivo. La superficie del lingotto è particolarmente

pulita e povera di carbonio. La superficie pulita rappresenta un vantaggio in molte applicazioni e

lamiere con tenore di carbonio fino a 0,25% spesso vengono prodotte in questo modo.

2. La formazione di bolle viene ridotta quando sul Lingotto viene posizionato un tappo metallico

che permette di avere ancora una superficie pulita, ma in aggiunta garantisce una maggiore

omogeneità strutturale rispetto agli acciai effervescenti. Gli acciai semicalmati sono parzialmente

disossidati e sono adatti per applicazioni nelle quali non sia richiesta una grande uniformità

strutturale, come in molti acciai da costruzione.

3. Nelle applicazioni più critiche è richiesto l'uso di acciai calmati, nei quali la presenza di gas

viene evitata aggiungendo alluminio, silicio, ecc. le segregazioni sono praticamente assenti, le

proprietà uniformi in tutta la massa e la dimensione dei grani può essere controllata nel prodotto

finale. Tuttavia, deve essere previsto un sistema di alimentazione particolare per evitare la

formazione cono di ritiro.

Una ulteriore distinzione può essere fatta sulla base del contenuto di carbonio. Gli acciai a basso

tenore di carbonio (meno di 0,15%) contengono troppo poco carbonio per poter essere induriti e

vengono usati nella condizione raggiunta dopo lavorazione a caldo oppure, per massimizzare la

duttilità, allo stato ricotto, soprattutto per produrre lamiere e fili. Sono molto importanti nel settore

delle lamiere. Se si arriva fino allo 0,25% C hanno una resistenza un po' più alta ma sono ancora

facilmente saldabili e sono spesso usati per scopi strutturali sotto forma di barre, profili e piatti

laminati a caldo.

Gli acciai a medio tenore di carbonio (0,25-0,55%C) sono spesso bonificati dopo lavorazione a

caldo o a freddo.

Gli acciai ad alto tenore di carbonio (0,55-1,0% C) sono usati per produrre molle o per componenti

che debbano resistere all'usura.

Gli acciai che devono essere lavorati a freddo spesso sono ricotti e quelli caratterizzati da tenori

maggiori di carbonio vengono trasformati in sferoidali per avere la massima duttilità.

Una particolare combinazione di proprietà viene ottenuta quando la superficie di un acciaio a

basso tenore di carbonio viene arricchita in carbonio.

La microstruttura degli acciai Dual Phase (DP) è costituita da una matrice di ferrite nella quale si

trova uniformemente dispersa una frazione volumetrica di martensite variabile tra il 20 e il 70% a

seconda della resistenza. La ferrite conferisce all'acciaio un'eccellente duttilità, mentre la

martensite rappresenta la fase dura, capace di garantire un'alta resistenza. Quando l'acciaio viene

lavorato, la deformazione si concentra nella ferrite, causando un elevato incrudimento per

deformazione. Tale meccanismo si combina alle ottime caratteristiche di allungamento per

conferire a questi acciai un basso valore del rapporto Re/Rm (resistenza elastica su resistenza a

rottura) e, quindi, un carico di rottura più alto rispetto ad acciai convenzionali caratterizzati da

analogo limite di snervamento. Inoltre, si può ottenere un incremento della resistenza anche in

seguito a trattamenti termici come la verniciatura.

In molte applicazioni gli acciai al carbonio non forniscono la combinazione di proprietà richiesta; in

tal caso bisogna ricorrere ai più costosi acciai legati.

Acciai HSLA (High-strength low-alloy)

L'elevata resistenza e tenacità di questi acciai è dovuta a quantità molto piccole di Ti, V o Nb e al

processamento termomeccanico che subiscono. I precipitati di carbonitruri inibiscono

l'ingrandimento dei grani nella austenite e, di conseguenza, raffinano la ferrite che si forma al

raffreddamento dalla temperatura di lavorazione a caldo. La combinazione di raffinamento del

grano e di indurimento per precipitazione determina una elevata tensione di snervamento, tra 350

e 560 MPa.

Le inclusioni di solfuro di manganese tendono ad allinearsi compromettendo la resistenza

all'impatto trasversale. L'aggiunta di Zr o Ti riduce la plasticità delle inclusioni e ostacola la loro

diffusione riducendo gli effetti dannosi delle inclusioni stesse.

Acciai bassolegati

Quantità relativamente piccole di elementi alliganti permettono di trattare termicamente sezioni più

spesse.

Acciai altolegati

Una maggiore concentrazione di alliganti in combinazione con un maggior contenuto di carbonio

aumenta la durezza e la durezza a caldo degli acciai usati per costruire stampi e utensili

provocando la formazione di carburi resistenti alla temperatura, come WC, VC e carburi di cromo.

Conviene lavorarli allo stato ricotto. Anche così, il maggior contenuto di carburi aumenta le forze di

formatura e l'usura degli stampi e riduce la duttilità. Di conseguenza questi acciai sono

normalmente lavorati a caldo perché nella condizione austenitica la loro tensione di flusso non è

molto maggiore di quella degli acciai al carbonio.

Acciai inossidabili

La loro resistenza alla corrosione li rende utili in molte applicazioni. Spesso possono essere

lavorati a caldo se sono prese le dovute precauzioni. Quelli contenenti sia nichel che cromo (acciai

inossidabili austenitici) sono tra i materiali aventi la maggiore lavorabilità a freddo a causa della

loro elevata sensibilità all’incrudimento.

Leghe non ferrose per deformazione plastica

Le leghe non ferrose vengono presentate in ordine di temperatura di fusione crescente, senza fare

riferimento alla loro importanza industriale.

Leghe di stagno

La bassa resistenza meccanica dello stagno lo rende inadatto per funzioni strutturali eccetto in

pochi casi, nei quali è apprezzato per la sua resistenza alla corrosione. Fra le leghe più conosciute

è il peltro, facilmente deformabile, usato soprattutto per prodotti decorativi.

Leghe di piombo

Il piombo è caratterizzato da bassa resistenza meccanica ed elevata resistenza alla corrosione;

questo secondo aspetto lo ha reso molto utilizzato per produrre lamiere, tubi e rivestimenti di cavi.

Può essere irrobustito con vari elementi (As, So, Bi, Te, e Cu). Viene usato anche per assorbire

vibrazioni sonore e radiazioni. In lega con calcio e stagno è usato per la produzione di batterie. La

sua tossicità ne ha ridotto l'utilizzo in molti contesti.

Leghe di zinco

Lo zinco puro viene usato per rivestimenti di batterie, tetti corrugati e sigillanti atmosferici (nella

seconda e terza categoria di applicazioni viene aggiunto l’1% di rame). A causa della sua struttura

esagonale, viene lavorato a freddo oltre i 20°C. Una trasformazione eutettoidica nel sistema zinco-

alluminio permette la produzione di un materiale con grana estremamente fina che esibisce

superplasticità. Le leghe binarie con il 22% Al ed altre varianti possono essere deformate ad alta

temperatura quasi come le plastiche e esibire una buona resistenza a temperatura ambiente. Sono

state usate per realizzare prototipi e rivestimenti di strumenti nei casi in cui bisogna riuscire a

riprodurre dettagli minuti.

Leghe di magnesio

La struttura esagonale del magnesio lo rende piuttosto fragile a temperatura ambiente ma diventa

facilmente lavorabile a temperature leggermente superiori, tipicamente oltre 220°C. Temperature così

basse non creano problemi agli utensili né di lubrificazione e la formatura risulta assai semplice.

È possibile sfruttare sia l'alligamento per soluzione solida che li indurimento per precipitazione per

ottenere materiali molto resistenti. La sua bassa densità combinata con elevata resistenza viene

sfruttata nel settore aerospaziale ed automobilistico.

Leghe di alluminio

Uno dei settori a più rapida crescita nella lavorazione dei metalli è quello delle leghe di alluminio. Il

suo reticolo fcc lo rende facilmente deformabile a tutte le temperature.

Grazie alla realizzazione di soluzioni solide e di indurimento per precipitazione, possono essere

realizzati materiali molto resistenti con un rapporto resistenza su peso molto alto. Le leghe di

alluminio sono da sempre il principale materiale di costruzione degli aerei e cominciano a trovare

spazio nella realizzazione di componenti di veicoli a terra, quali paraurti, ruote e alcune parti del

telaio (in qualche caso tutto il telaio). La resistenza alla corrosione e il basso peso le rendono

interessanti anche nella realizzazione di apparecchiature per la casa, nel settore alimentare, come

contenitori, nei settori marino e chimico. Si può avere una conducibilità elettrica equivalente a un

costo molto inferiore rispetto a quello del rame, perciò grandi quantità sono usate nella

realizzazione di cavi ad alto voltaggio, cavi elettrici per filobus ed avvolgimenti di motori.

Gli stati in cui le leghe di alluminio possono essere acquistate sono individuati da una lettera

seguita da un numero. La maggior parte sono reperibili allo stato ricotto (O). Le leghe non trattabili

termicamente possono diventare più resistenti attraverso deformazione a freddo (condizione H1),

ma si riduce la duttilità; un secondo numero indica il livello di incrudimento (H12 = poco incrudito,

H14 = mezzo incrudimento, H18 = completamente incrudito).

La condizione H2 (incrudito e parzialmente ricotto) garantisce una maggiore duttilità per una certa

resistenza. Le leghe trattabili termicamente possono essere lavorate allo stato ricotto, poi possono

subire un trattamento di solubilizzazione seguito da un invecchiamento naturale (T4) o artificiale

(T6). Una resistenza ancora maggiore può essere raggiunta lavorando a freddo una soluzione

trattata termicamente, poiché nel successivo invecchiamento naturale (T3) o artificiale (T8) i

precipitati diventano estremamente fini e ben distribuiti.

L'alluminio ad alta purezza è un eccellente conduttore elettrico.

Lavorazioni per deformazione plastica massiva

Le lavorazioni per deformazione plastica che vediamo sono la forgiatura (che può essere in

aperto, sagomato o chiuso); poi ci sarà l’estrusione e trafilatura; infine vedremo la

stampo

laminazione.

Classificazione delle lavorazioni secondo temperatura

Possiamo ora cominciare ad analizzare i principi base delle lavorazioni per deformazione plastica

massiva che includono la forgiatura in stampo aperto, la forgiatura in stampo sagomato o chiuso,

l'estrusione di componenti net-shape o near-net-shape, l'estrusione e la trafilatura di fili, tubi e altri

profili, la laminazione di piatti, lamiere, strisce e prodotti lunghi.

Prima di analizzare le singole tecniche produttive, verranno presentati i principi comuni. i processi

industriali saranno presentati attribuendo maggiore enfasi a quelli destinati a realizzare prodotti

finali. Questa categoria di processi richiede il calcolo di parametri per i quali possono essere

utilizzati semplici metodi analitici.

I processi possono essere classificati in vari modi. Le proprietà dei materiali dipendono dalla

temperatura e 0,5T è una grossolana linea di divisione tra comportamento a caldo e a freddo.

m

Nella pratica la distinzione viene fatta con riferimento alla temperatura ambiente.

Lavorazioni a caldo

Nell'uso comune il termine fa riferimento alla lavorazione di materiali preriscaldati. Poiché per la

maggior parte dei materiali tecnici, ad eccezione di stagno e piombo, 0,5T e al di sopra della

m

temperatura ambiente, la convenzione usuale è corretta anche da un punto di vista dei materiali.

Le lavorazioni a caldo offrono vari vantaggi: le tensioni di flusso sono basse, perciò lo sono anche

le forze e le potenze necessarie e si possono deformare anche pezzi grandi con macchine di

dimensioni ragionevoli. La duttilità è elevata, perciò sono possibili grandi deformazioni (di solito in

una successione di passaggi) per ottenere forme complesse.

Si può distruggere la struttura derivante dal processo di colata, di solito con una deformazione

equivalente a una riduzione del 75% di altezza o di area, ma per avere le migliori proprietà

meccaniche bisogna raggiungere il 90%.

Tra gli svantaggi si ha la necessità di riscaldare il materiale ad alta temperatura. La maggior parte

dei materiali si ossida e gli ossidi di alcuni metalli, per esempio la ruggine sull'acciaio, peggiora la

finitura superficiale. Variazioni nelle temperature di finitura possono imporre tolleranze

dimensionali ampie ed anche ha una certa variabilità delle proprietà meccaniche.

Le lavorazioni a caldo possono essere condotte in modalità

L’utensile

1. Non isoterma. deve essere molto più resistente del materiale lavorato; questa

esigenza di solito impone che debba essere mantenuto a temperatura molto più bassa. Diventa

perciò necessario minimizzare il tempo di contatto per evitare un eccessivo raffreddamento. Il

raffreddamento degli strati superficiali del materiale comporta vari svantaggi: il flusso del materiale

viene ritardato, il rapido raffreddamento di sezioni sottili limita il minimo spessore di parete

ottenibile, aumentano la pressione sugli stampi e la forza necessaria per deformare. Il

raffreddamento influisce anche sul prodotto perché velocità diverse di raffreddamento determinano

variazioni nelle proprietà. Inoltre, il contatto periodico col materiale caldo espone le attrezzature a

cicli termici che portano a fatica termica.

2. Formatura isoterma. Alcuni dei problemi elencati spariscono quando l'utensile è alla stessa

temperatura del pezzo. La durata del contatto non è più un problema perché non c'è raffreddamento;

tuttavia diventa più difficile trovare un materiale adatto per gli utensili e il lubrificante.

3. Lavorazione a caldo controllata. Di solito condotta in modo non isotermo, è usata per impartire

proprietà desiderabili.

Lavorazioni a freddo

Nel linguaggio di tutti i giorni, il termine fa riferimento a lavorazioni eseguite a temperatura

ambiente, sebbene il lavoro di deformazione può aumentare le temperature di 100- 200°C. Le

lavorazioni a freddo di solito seguono le lavorazioni a caldo e scaglie ed altri film superficiali

vengono preventivamente rimossi mediante attacco chimico o sabbiatura.

Lavorare a freddo comporta una serie di vantaggi.

In assenza di raffreddamento e ossidazione, si possono ottenere tolleranze più strette e migliori

finiture superficiali e sono possibili anche pareti più sottili. Le proprietà finali del materiale possono

essere controllate in modo accurato e, se lo si desidera, l'elevata resistenza meccanica dovuta alle

lavorazioni a freddo può essere mantenuta oppure, se è necessaria una duttilità elevata, è

possibile eseguire una ricottura. La lubrificazione di solito è più semplice.

Ci sono anche risvolti negativi. Per la maggior parte dei materiali tecnici la temperatura ambiente è

inferiore a 0,5T ; di conseguenza, le tensioni di flusso sono alte e di conseguenza anche le

m

pressioni sugli utensili, le forze necessarie per deformare e la potenza richiesta. La duttilità di molti

materiali è limitata, limitando la complessità delle forme che possono essere ottenute direttamente.

Lavorazioni a tiepido o a semicaldo

Queste combinano alcuni dei vantaggi delle lavorazioni a caldo e a freddo, soprattutto nella

lavorazione degli acciai (tipicamente tra 650 e 700°C). Le temperature sono sufficientemente

basse da non provocare la formazione di scaglie, garantendo così una buona finitura superficiale,

ma sono abbastanza alte da ridurre la tensione di flusso plastico e permettere perciò la formatura

di componenti che genererebbero pressioni eccessive nelle lavorazioni a freddo. Le temperature

usate determinano una notevole sensibilità alla velocità di deformazione e la tensione di flusso

rimane bassa solo se sono mantenute basse le velocità di deformazione.

Una ulteriore distinzione è basata sullo scopo della deformazione.

Processi primari

Sono finalizzati a distruggere la struttura derivante dal processo di colata mediante una

successione di deformazioni. Il semilavorato che viene ottenuto è destinato ad ulteriori lavorazioni.

I processi primari sono normalmente condotti a caldo e su grande scala in impianti

dedicati.

Processi secondari

Questi ricevono i prodotti dei processi primari e li trasformano ulteriormente in componenti finiti; la

presentazione sarà focalizzata su questi processi. I processi secondari includono alcune tecniche

di deformazione massiva e tutte le lavorazioni eseguite su lamiera.

Dal punto di vista dell'analisi dei processi deformativi conviene fare una distinzione

differente. Processi stazionari

In questi processi tutti gli elementi del materiale sono soggetti in momenti diversi alla stessa

modalità di deformazione. Ne deriva che, una volta che è stata analizzata la zona in cui avviene la

deformazione, l'analisi rimane valida per tutta la durata del processo.

La trafilatura di una lamiera in condizioni di deformazione piana può essere assunta come

riferimento. Il materiale incrudisce oppure è soggetto ad altri cambiamenti quando passa

attraverso la zona dove avviene la deformazione e, per semplificare i calcoli, si usa un valore

medio della tensione di flusso. Nel caso di lavorazione a freddo, questa si trova integrando tra i

valori estremi di limite deformazione (prima formula nella slide).

Per un materiale ricotto la deformazione iniziale è nulla è la formula si semplifica.

Nel caso di lavorazioni a caldo si calcola un valore medio della velocità di deformazione, specifico

per il processo e si calcola la tensione di flusso.

Processi non stazionari

Nei processi come la compressione, la geometria del componente cambia continuamente è

l'analisi deve essere ripetuta in vari istanti, dalla condizione iniziale alla fine. Perciò in ognuno degli

istanti studiati bisogna usare la tensione di flusso plastico istantanea, usando le due formule viste

per le operazioni a caldo oppure a freddo.

Spesso ci interessa calcolare solo la forza massima, sviluppata alla fine della deformazione, perciò

è importante calcolare la tensione di flusso corrispondente solo alla deformazione finale.

Se il coefficiente di resistenza K e la sensibilità all’incrudimento n non sono noti ma è disponibile

una macchina adatta, si può eseguire una prova di compressione; in caso contrario l'unico

riferimento possibile è la tensione massima a rottura. Paradossalmente, il metodo di calcolo basato

sulla tensione massima a rottura fornisce una approssimazione ragionevole della tensione di flusso

plastico media vera, almeno per valori di deformazione vicini alla deformazione che porta



all’incrudimento. Poiché in corrispondenza della strizione n = , si possono effettuare correzioni

u

ragionevoli per valori più piccoli o più grandi di deformazione.

Forgiatura in stampo aperto senza attrito

La forgiatura è tra le più importanti tecniche produttive su metalli. Si possono distinguere tre

categorie di operazioni: la forgiatura in stampo aperto permette la libera deformazione almeno di

alcune superfici del pezzo; la deformazione è molto più vincolata nella forgiatura in stampo

sagomato ed è completamente vincolata nella forgiatura in stampo chiuso.

Poiché almeno una delle superfici del pezzo si deforma liberamente, le operazioni di forgiatura in

stampo aperto producono componenti meno accurati delle altre due varianti; tutta la è normalmente

semplice, abbastanza economica e consente di realizzare una grande varietà di forme.

Nella ricalcatura assiale di un cilindro, un componente cilindrico viene posizionato tra due piastre

piane parallele e la sua altezza viene ridotta dalla forza applicata alle piastre in una pressa o un

maglio. La ricalcatura è un processo molto versatile, eseguito sia a caldo che a freddo. Il prodotto

finale può variare dai grandi rotori in acciaio usati negli impianti per la produzione di energia, che

possono superare le 150 tonnellate, a componenti minuti.

Spesso viene ricalcata una testa ad una estremità del componente in impianti dedicati,

completamente automatici, per produrre grandi quantità di chiodi, viti, spine e componenti simili.

Ricalcatura in assenza di attrito di un cilindro Supponiamo che applicando un lubrificante molto

efficace riusciamo a ridurre l'attrito a 0. Se dividiamo

il cilindro in molti piccoli elementi, tutti si deformano

allo stesso modo, cioè la deformazione è

omogenea. Il cilindro diventa più corto e, per la

costanza del volume, il diametro aumenta, ma la

forma rimane cilindrica. Poiché la ricalcatura non

è un processo stazionario, un'analisi completa

richiede il calcolo di variabili in vari momenti della

corsa dello stampo superiore.

Per eseguire calcoli ripetitivi conviene seguire una

procedura standard. La procedura, adattata agli

specifici processi, sarà sempre seguita.

Step 1: calcolo del volume del componente.

Step 2: solo una delle dimensioni finali è definita. Dalla costanza del volume, chiamata A l'area

1

della superficie di estremità alla fine della compressione, si può calcolare il diametro d .

1

Step 3: La deformazione nominale di compressione viene calcolata solo per consuetudine. Di

solito è calcolata a partire dalla variazione di altezza ma, grazie alla costanza del volume, si può

fare riferimento anche all'area delle superfici di estremità.

Step 4: per calcolare la tensione di flusso plastico nelle lavorazioni a freddo, è necessaria la

deformazione vera.

Step 5: nel caso di lavorazioni a caldo, è necessaria anche la velocità di deformazione.

Step 6: Possiamo ora calcolare la tensione di flusso plastico, sia che stiamo lavorando a freddo sia

a caldo

Step 7: per calcolare la pressione dobbiamo valutare gli effetti di (a) stato tensionale, (b) attrito e

(c) disomogeneità della deformazione. 

a. lo stato tensionale è monoassiale, perciò la tensione di flusso plastico è ,

f

b. in assenza di attrito non c'è aumento della pressione,

c. le piastre sono più estese delle superfici di estremità del pezzo, perciò non si verifica

indentazione e non abbiamo bisogno di calcolare il rapporto h/L. 

Di conseguenza la pressione è semplicemente la tensione di flusso plastico monoassiale .

f

Questa è la pressione che l'attrezzatura deve sopportare.

Step 8: la forza esercitata dalla pressa è data dalla pressione all'interfaccia moltiplicata per l'area

di contatto. Se prendiamo in considerazione l'istante finale, quando le forze sono al massimo,

determiniamo la capacità richiesta alla pressa.

Step 9: per alcuni tipi di macchine è necessario calcolare anche l'energia totale necessaria per

deformare il pezzo.

Questo valore può essere ottenuto ripetendo i calcoli per calcolare la forza in vari istanti lungo la

corsa. In questo modo si ottiene la curva forza-spostamento. La forza aumenta perché l'area

aumenta rapidamente. L'area sotto la curva ha la dimensione del lavoro (lavoro = forza per

spostamento).

Perciò il lavoro e l'energia che la pressa o il maglio devono impiegare può essere ottenuta

mediante integrazione grafica o numerica di quest'area.

Step 10: L'energia assorbita dal pezzo viene convertita in calore. In assenza di raffreddamento, si

suppone la trasformazione adiabatica e l'incremento di temperatura è dato dalla formula

ΔT=Ea/VPc, dove V è il volume, ro è la densità e c il calore specifico del pezzo.

In pratica, la deformazione si verifica in un tempo finito e parte del calore è trasmesso per

conduzione negli stampi e per irraggiamento e convezione nell'aria circostante. Di conseguenza il

vero aumento di temperatura è inferiore ma, comunque, significativo. Nelle lavorazioni a caldo la

temperatura può superare la curva del Solidus e provocare fragilità a caldo, mentre nelle

lavorazioni a freddo può provocare la rottura del film di lubrificante.

Forgiatura in stampo aperto con attrito

Ricalcatura con attrito radente

In pratica è assai improbabile riuscire ad avere attrito nullo anche con i migliori lubrificanti. La

deformazione del cilindro richiede che le sue superfici di estremità striscino sulle superfici degli



utensili, perciò è sempre presente una tensione tangenziale di attrito . Questa tensione

i

tangenziale si oppone alla libera espansione delle superfici di estremità, con due conseguenze:

1. Il cilindro assume una forma a botte. Possiamo trascurare questo effetto nel calcolo del nuovo

diametro semplicemente facendo riferimento a un diametro medio d partendo dalla costanza del

m

volume.

2. Per vincere la resistenza dell'attrito deve essere esercitata una pressione normale sempre più



alta andando dalla periferia verso il centro del cilindro. Sul bordo libero la pressione è pari a e

f

aumenta verso il centro come una collina. Al crescere dell'attrito, valutato con il coefficiente oppure

col fattore di attrito, la collina diventa sempre più ripida. Questo aspetto viene preso in

considerazione allo step 7b nel calcolo della pressione di interfaccia media. Confrontando le due

figure nella slide, si vede che per lo stesso valore di attrito un cilindro avente la stessa altezza ma

diametro maggiore determina una collina più alta e, una pressione media più alta.

Di conseguenza il rapporto d/h, chiamato fattore di forma, che caratterizza la snellezza del cilindro,

determina, assieme all'attrito, quanto aumenta la pressione. La pressione media all'interfaccia



viene di solito espressa come un multiplo della tensione di flusso plastico monoassiale .

f

Il fattore moltiplicativo della pressione Q (la lettera a fa riferimento alla simmetria assiale) deve

a

prendere in considerazione gli effetti della collina di attrito e della forma del pezzo (rapporto d/h).

Dalla teoria, se si usa il fattore di attrito, la pressione media è calcolata con la prima formula nella

slide.

Se si usa il coefficiente di attrito, il coefficiente Q , ricavato dal grafico a sinistra, viene usato nella

a

seconda formula.

E’ importante calcolare il massimo della pressione per verificare che il materiale dell'attrezzatura

sia in grado di sopportarla. Risulta più semplice calcolarlo usando il fattore di attrito con la terza

formula nella slide.

Ricalcatura in condizioni di sticking

Nel caso estremo, quando la superficie della piastra sia ruvida e non si usi lubrificante, la tensione

tangenziale all'interfaccia può raggiungere o superare la tensione di flusso plastico tangenziale del

materiale del pezzo e lo strisciamento sulla superficie di estremità risulta impedito. In questo caso tutta

la deformazione avviene a causa della sollecitazione di taglio all'interno del cilindro; il materiale

adiacente alle piastre non si muove (si forma una zona di ristagno) e la superficie laterale del cilindro si

inclina fino a provocare l'aumento delle superfici di estremità, come è mostrato in figura.

Nella forgiatura non isoterma, il raffreddamento delle superfici di estremità peggiora la situazione,

come è mostrato dalle linee di flusso nella stessa figura. Questo è un caso particolare di

deformazione non omogenea perché la pressione all'interfaccia si abbassa.

Poiché le fibre esterne del cilindro sono deformate da taglio sovrapposto a compressione, la

tensione di compressione necessaria si abbassa e la pressione all'interfaccia rimane bassa. Il

fattore moltiplicativo della pressione rimane prossimo a 1 fino a quando d/h < 2. La teoria

elementare che abbiamo adottato non è in grado di gestire questa situazione e i fattori

moltiplicativi della pressione per questa situazione sono stati determinati sperimentalmente.

Risultati simili possono essere ottenuti con gli elementi finiti.

Forgiatura di componenti a base rettangolare

Si possono distinguere fondamentalmente due casi: forgiatura con piastre che sporgono rispetto al

pezzo e forgiatura con pezzo che sporge.

Ricalcatura con piastre sporgenti

Quando un pezzo a sezione rettangolare è ricalcato tra due piastre piane che sono più estese del

pezzo in tutte le direzioni, la situazione è simile alla ricalcatura assiale di un cilindro, almeno fino a

quando si studia la deformazione nella sezione trasversale più stretta. Nel complesso, però, la

situazione è differente, soprattutto se le due dimensioni del pezzo sono molto diverse.

Il materiale fluirà sempre preferenzialmente nella direzione in cui la resistenza è minore. La resistenza

di attrito è proporzionale alla distanza in cui avviene lo strisciamento. Di conseguenza, il flusso nella

direzione maggiore (che chiameremo larghezza w) è fortemente contrastato perciò la situazione

approssima la condizione di deformazione piana. La maggior parte del flusso di materiale avviene nella

direzione più piccola che in questo contesto chiameremo lunghezza di contatto L tra pezzo e superficie

dell’utensile. Evidentemente nella ricalcatura con piastre sporgenti l'area della sezione trasversale

rimane costante mentre L aumenta al progredire della compressione.

Poiché le due piastre sono parallele, il materiale fluisce allontanandosi dall’asse di simmetria, in

corrispondenza del quale non si verifica flusso.

Nella sequenza di calcolo, le fasi dalla 1 alla 6 sono uguali alla ricalcatura di un cilindro. Abbiamo

delle differenze nella fase 7: (a) il materiale comincia a fluire solo al raggiungimento della tensione



di flusso plastico in deformazione piana, 1,15 , (b) la friction hill assomiglia ad una tenda con

f

palo al centro nella ricalcatura assiale, ora è più simile ad una catena montuosa

La sezione trasversale della friction hill può essere ancora calcolata in modo simile alla ricalcatura

assiale ma bisogna tener conto del fatto che la friction hill è definita dalla dimensione del pezzo che è

misurata nella direzione di maggior flusso di materiale, cioè la lunghezza di contatto L. Di

conseguenza la friction hill sarà più alta a parità di coefficiente o fattore di attrito e per fattori di

forma (rapporto L/h) maggiori. La pressione media p (dove il pedice sta ad indicare la condizione

p

di deformazione piana) è data dalla prima formula nella slide. Quando l'attrito è espresso mediante

il coefficiente di attrito il fattore moltiplicativo della pressione Q si ricava dalla figura e la pressione

p

media viene calcolata con la seconda formula.

Per analogia alla ricalcatura di un cilindro, il picco della fiction hill è dato dalla prima formula. Il picco si

trova sull'asse neutro. Al punto 8 la forza P in qualunque punto della corsa della pressa o del maglio si

p

ottiene ancora moltiplicando la pressione media per l'area di contatto sulla quale agisce la pressione,

come è mostrato dalla seconda formula. Componenti di forma rettangolare vengono forgiati spesso ed

elementi di forma più complessa possono spesso essere assimilati a rettangoli.

Forgiatura di componenti sporgenti

La situazione è molto differente quando la piastra sia stretta. Poiché in questo caso il componente

forgiato sporge, si intuisce che solo una parte della massa venga deformata e la deformazione può

diventare non omogenea anche nella zona che viene lavorata. Quando il pezzo è largo, siamo

ancora in deformazione piana. Il flusso principale si verifica nella direzione della dimensione

minore della piastra, per cui questa diventa la dimensione L nell'analisi.

Si possono verificare tre casi:

Quando h/L > 8,7 la situazione è analoga all’indentatura di un corpo semi infinito (figura a

1.

sinistra). Si dimostra che la pressione necessaria per indentare, p , è circa il triplo della tensione

i max



di flusso plastico in condizioni monoassiali, .

f

2. Quando 8,7 > h/L > 1, le due zone deformate interagiscono progressivamente ed è richiesta una

forza sempre più bassa per continuare a deformare (figura centrale). Anche il fattore moltiplicativo

della pressione diminuisce e può essere ricavato dal grafico nella slide. La pressione di

indentazione viene calcolata con la formula nella slide. Si deve ricordare che la penetrazione di 2

punzoni contrapposti genera tensioni secondarie di trazione che, quando h/L > 2, possono portare

a fratture interne nei materiali meno duttili.

3. Quando h/L = 1 le due zone deformate cooperano completamente e il materiale fluisce



applicando la pressione più bassa, 1,15 .

f

4. Quando h/L < 1 l'influenza dell'attrito diventa importante e bisogna ricavare il fattore

moltiplicativo della pressione come si è visto nella ricalcatura di un componente rettangolare.

La friction hill si abbassa alle estremità e il fattore moltiplicativo della pressione diminuisce quando

w/L < 8; diminuisce a Q quando w/L = 1.

a

5. Una deformazione omogenea viene esercitata di proposito nella pallinatura. X

Vengono provocate molte indentazioni sovrapposte con palline ad alta velocità che provocano una

deformazione di compressione localizzata sulla superficie. Poiché la massa del pezzo non subisce

conseguenze si possono verificare due casi:

a. Se tutte le superfici del componente sono pallinate si hanno tensioni residue di compressione

bilanciate e la resistenza a fatica aumenta.

b. se viene allenata solo una superficie si hanno tensioni residue non bilanciate che provocano

distorsioni.

Una pallinatura controllata è adatta per correggere la forma di grandi contenitori e di alloggiamenti

per motori di razzi e per determinare la forma delle superfici alari degli aerei.

Oltre alla ricalcatura e all’indentazione, la forgiatura in stampo aperto usa molte altre operazioni

che possono essere analizzate analogamente a quelle già viste. Si possono produrre molte forme

con attrezzature piuttosto semplici, sebbene spesso sia necessaria una complessa sequenza di

operazioni deformative. La semplicità dell'attrezzatura viene perciò pagata con la complessità del

controllo del processo. Componenti caratterizzati da un grado rilevante di complessità possono

essere ottenuti con una sequenza di operazioni di forgiatura in stampo aperto.

Cogging L'area della superficie di un componente rettangolare

può essere molto grande e richiedere una forza

totale eccessivamente alta; in questi casi

normalmente si deforma un pezzo per volta del

componente. Si riduce lo spessore di porzioni

successive del componente fino ad interessare la

lunghezza totale. La distanza tra porzioni adiacenti

deve essere abbastanza piccola per avere una

superficie piana, ma porzioni troppo piccole (b < h /3)

0

provocherebbero la piegatura del materiale anziché

un assottigliamento uniforme.

L'operazione a volte viene usata al posto della laminazione quando le quantità sono piccole

oppure il materiale è suscettibile di frattura a caldo. Il componente stesso viene movimentato

mediante manipolatori, il movimento dei quali deve essere strettamente coordinato con quello dei

punzoni, perciò il controllo computerizzato è ampiamente diffuso. Il calcolo di tensioni e forze

segue i principi descritti per la forgiatura di un pezzo a base rettangolare.

La lunghezza di contatto L viene anche in questo caso misurata nella direzione del flusso

principale del materiale ed è perciò pari alla lunghezza della porzione. Per ottenere un valore

appropriato del fattore moltiplicativo della pressione deve essere noto il rapporto h/L. Quando il

suo valore è maggiore di 1 si verifica deformazione non omogenea e la pressione di interfaccia

deve essere ricavata dal diagramma già visto; quando il suo valore è inferiore a 1 prevale

l'influenza dell'attrito e si deve usare il grafico visto per la forgiatura di un componente rettangolare.

La condizione di deformazione piana viene approssimata solo quando il rapporto w/L > 10. Nel

caso di componenti più stretti il fattore moltiplicativo è inferiore.

Fullering ed edging Molti componenti hanno sia sezioni spesse

che sottili perciò diventa necessario

redistribuire il materiale. La forgiatura tra

piastre piane risulta inefficiente a questo

scopo perché parte del materiale si muove in

direzione della larghezza e, quando il

rapporto L/h è grande, le pressioni e le forze

sono alte. La forgiatura con superfici inclinate

risolve questi problemi perché una

componente della pressione agisce nella direzione del flusso del materiale.

Si hanno due conseguenze. Prima di tutto contrasta il ritardo dovuto all'attrito (se tan alfa = mu,

l'effetto dell'attrito è neutralizzato) e perciò abbassa la pressione sullo stampo. In secondo luogo

sposta il materiale in direzione perpendicolare a quella di applicazione del carico. Questo effetto

può essere sfruttato per allontanare il materiale dal centro (fullering) oppure verso il centro

(edging). Una serie di colpi, con il pezzo ruotato attorno al proprio asse tra un colpo e l'altro, per

una notevole ridistribuzione del materiale.

Piercing Il piercing permette di ottenere fori ciechi e passanti. Ne esistono alcune

varianti.

1. Il materiale può essere supportato alla base e sulla superficie

laterale. Il pezzo si comporta come un corpo semi infinito e la pressione



sotto al punzone vale almeno 3 .

f

Quando il punzone arriva a profondità significative in un materiale



incrudente, la pressione può raggiungere valori pari a 4 - 5 . L'attrito

f

sotto al punzone e sulla superficie del contenitore dovrebbe essere

minimizzata, altrimenti la pressione cresce ulteriormente.

Miliardi di teste preventivamente ricalcate vengono indentate per

trasformarle in teste di viti.

2. Le pressioni si abbassano notevolmente quando la barra non riempie

la matrice di contenimento ed il piercing viene eseguito permettendo

una espansione radiale. Può verificarsi il problema dell'instabilità sotto

carico di punta, a meno che la forma del componente non sia tale da

garantire un certo supporto.

3. Quando il componente non è vincolato, la modalità di deformazione

dipende dal rapporto tra il diametro iniziale del pezzo d e il diametro del

0

punzone D . Quando d /D > 3, il pezzo si comporta come un corpo

p 0 p

semi infinito. Per valori inferiori del rapporto la modalità di deformazione è complessa e la

pressione diminuisce quasi linearmente per raggiungere la tensione di flusso plastico monoassiale

quando d /D = 1.

0 p

Su un componente cilindrico possono essere usati due punzoni agenti su facce opposte per

preparare un foro passante; il materiale rimanente viene estratto in una operazione distinta.

L'applicazione più frequente del piercing è l'indentazione delle teste di viti e bulloni. Poiché questa

operazione viene eseguita a freddo e in un contenitore, le pressioni sull’utensile indentatore

possono diventare eccessive. Un'altra limitazione è dovuta alla possibilità di fratture dovute a

tensioni secondarie di trazione che si verificano nell'espansione di una testa non contenuta, o

dall’esaurirsi della duttilità a causa di operazioni precedenti.

Potenzialità della forgiatura in stampo aperto

La forgiatura in stampo aperto è uno dei pochi processi in grado di realizzare componenti in una

ampia gamma di dimensioni.

I limiti relativi alla forza disponibile possono essere superati mediante la deformazione

incrementale e la pressione sugli stampi diventa critica solo nell'indentazione e nel piercing.

Dimensioni e tolleranze

Nel caso di superfici rotonde o comunque curve bisogna prevedere sovrametalli elevati nella

forgiatura in stampo aperto (per esempio, 10 mm sul diametro di un forgiato con diametro di 200

L’accuratezza

mm e lunghezza di 1500 mm). può essere aumentata notevolmente se il processo è

controllato da computer, in genere sovrametalli e tolleranze sono concordate con il produttore.

Le tolleranze possono essere molto più strette nelle operazioni di ricalcatura e possono essere molto

strette nella forgiatura a freddo.

Difetti di forma

I componenti devono essere privi di difetti attribuibili ad un errato flusso del materiale. In

produzione si possono presentare varie limitazioni:

1. Un cilindro molto nello può piegarsi invece di schiacciarsi uniformemente, di conseguenza è

opportuno limitare il rapporto h /d a 2 quando l'attrito è alto.

0 0

Quando l'attrito è molto basso tale rapporto dovrebbe essere inferiore a 1,5 per evitare la

piegatura. Gli stessi limiti si applicano alla ricalcatura di villette a sezione rettangolare; in questo

caso la dimensione minore viene assunta come d .

0

la ricalcatura è in realtà un’intestatura viene ricaricata solo l'estremità del pezzo.

2. Quando La

parte più lunga del pezzo, strettamente vincolata tra due semistampi, è rigida e la maggiore

resistenza alla piegatura permette di schiacciare lunghezze maggiori.

3. Una lunghezza ancora più grande può essere ricaricata quando la deflessione del pezzo viene

limitata con una sequenza di ricalcatura progressive in cui le forme intermedie siano coniche e

cilindriche.

4. Nelle cosiddette intestatrici a freddo e ricalcatrici orizzontali la parte sporgente del filo o barra

viene supportata nella cavità di una matrice e la testa viene progressivamente formata da un

punzone che distribuisce il materiale nello spazio disponibile all'interno della matrice. Poiché il

pezzo è guidato ad entrambe le estremità, la piegatura viene evitata e si possono realizzare teste

più grandi con un singolo colpo.

Frattura

Un secondo gruppo di difetti è rappresentato dalla frattura del materiale. Se la deformazione è

realmente omogenea, i materiali più duttili possono raggiungere valori elevati di deformazione

prima di esaurire la propria duttilità; in questo caso la frattura è dovuta a deformazioni di taglio

inclinate di 45° rispetto alla direzione di applicazione del carico di compressione.

In molti casi l'attrito provoca il barreling. Si può vedere che il materiale nella parte gonfia non è

compresso direttamente; piuttosto è deformato indirettamente dall'azione di spinta radiale del

materiale nella porzione centrale.

Questa azione di espansione provoca tensioni di trazione secondarie sia circonferenziali che

assiali sulla superficie libera e può causare la frattura del materiale. La direzione delle cricche

dipende dall'entità relativa delle tensioni secondarie di trazione.

Il barreling e modalità simili di frattura si verificano anche nella ricalcatura di una piastra. Poiché il

barreling è la causa primaria di queste fratture, una migliore lubrificazione (che riduce l'attrito e perciò

anche il barreling) riduce il problema. Normalmente con un singolo colpo si può deformare solo in modo

limitato il materiale. Un riscaldamento intermedio nelle lavorazioni a caldo oppure una ricottura nelle

Modelli

lavorazioni a freddo restituiscono duttilità al materiale e permettono deformazioni maggiori.

matematici e sistemi esperti sono utili nella progettazione simultanea della forma del componente.

Forgiatura in stampo sagomato e in stampo chiuso

Le forme più complesse non possono essere

realizzate con grande accuratezza mediante la

forgiatura in stampo aperto. Si realizzano stampi

specifici che contengono la forma in negativo del

forgiato da produrre; il processo diventa una

sequenza di semplici colpi di compressione e il

prezzo da pagare è la complessità della forma degli

stampi.

In una variante del processo la forma viene ottenuta

riempiendo la cavità definita dai due semi stampi

superiore ed inferiore. Il materiale in eccesso

fuoriesce dallo stampo e diventa bava (flash); poiché lo stampo non è completamente chiuso si

parla di forgiatura in stampo sagomato.

Flusso del materiale

La prima preoccupazione è che il materiale riempie completamente la cavità senza che si

verifichino difetti nel flusso quali materiale pizzicato, ripiegato o soggetto a taglio. Di conseguenza

la forma del componente deve essere riprogettata per favorire un flusso regolare (da questo punto

di vista il processo è simile alla colata di getti).

1. Si sceglie una linea di separazione degli stampi tenendo in considerazione la struttura delle fibre

nel componente finito. Ne fibre dovrebbero seguire il contorno del forgiato il più possibile, perché

in questo modo si garantisce la massima tenacità, resistenza a fatica e duttilità nel prodotto finale.

In corrispondenza della linea di separazione inevitabilmente le fibre vengono tagliate quando si

separa la bava, perciò è opportuno posizionare la linea di separazione dove il livello tensionale in

servizio sia minimo.

2. I raccordi nel componente devono essere caratterizzati da un raggio sufficientemente grande

per facilitare un flusso regolare e gli angoli devono essere raccordati per evitare concentrazioni di

tensione che ridurrebbero la durata degli stampi.

3. Le pareti della cavità degli stampi devono avere uno sformo sufficiente per consentire la

rimozione del forgiato.

4. Forme complesse, sformi nulli e sottosquadri sono possibili quando gli stampi sono costituiti da

varie parti mobili.

Sequenze di forgiatura