Appunti lezioni Tecnologia Meccanica

Processi di fonderia

I processi di fonderia prevedono l’introduzione di una massa di metallo fuso all'interno della cavità di una forma, dove solidifica. I fattori più importanti da considerare in un processo di fonderia sono:

• La solidificazione del metallo fuso, con conseguente ritiro volumetrico.
• Il flusso del metallo all'interno della cavità della forma.
• Lo scambio termico durante la solidificazione e il raffreddamento.
• Il materiale della forma e la sua influenza sul processo di fonderia.

Metalli e leghe

I metalli puri presentano punti di fusione e di solidificazione ben definiti e questi due processi sono isotermi. Al contrario, le leghe solidificano in un intervallo di temperature, e quindi a temperatura non costante. La solidificazione comincia quando la temperatura scende al di sotto della temperatura di liquidus e termina quando raggiunge quella di solidus. Le leghe sono formate da un soluto, disciolto in un solvente, che rappresenta il componente presente in maggiore concentrazione. Quando la struttura cristallografica del solvente viene mantenuta in lega, essa si chiama soluzione solida. Esse si dividono in soluzioni solide interstiziali e sostituzionali.

La particolare struttura cristallografica che si forma in fase di solidificazione dipende dalla composizione chimica del metallo, dall’entità dello scambio termico e dal flusso del metallo liquido in fase di colata.

Struttura di solidificazione

Una tipica struttura di solidificazione di un metallo puro presenta una pelle esterna formata da piccoli grani equiassici. Questo fenomeno è dovuto all'alta velocità di raffreddamento della superficie esterna, che entra a contatto con la terra fredda. Il volume interno, che ha un raffreddamento più lento, subisce la formazione di grani colonnari, orientati lungo la direzione dello scambio termico, perpendicolarmente alla superficie di scambio.

In una lega, quando la temperatura è compresa tra quella di liquidus e quella di solidus, la struttura è semisolida a dendriti colonnari. Tale intervallo di temperatura si dice intervallo di solidificazione e varia da 50°C a 110°C.

Velocità di raffreddamento basse o lunghi tempi di solidificazione localizzati danno luogo a microstrutture dendritiche grossolane, con ampi spazi tra i bracci delle dendriti, mentre per velocità di raffreddamento elevate le dendriti hanno una struttura più fine, fino a raggiungere una struttura amorfa per velocità elevatissime. A velocità di raffreddamento diverse corrispondono proprietà meccaniche differenti: per grani più piccoli aumentano resistenza meccanica e duttilità, diminuisce la microporosità del getto e la probabilità di formare cricche a caldo.

La velocità di raffreddamento, oltre a influenzare la dimensione dei grani e delle dendriti, influisce anche sulla loro composizione chimica. Un raffreddamento lento produce una composizione chimica delle dendriti circa uniforme. Un raffreddamento veloce, al contrario, produce sulla superficie delle dendriti una concentrazione maggiore degli elementi in lega rispetto al cuore, a causa della loro espulsione dal liquido durante la solidificazione (al diminuire della temperatura, diminuisce la solubilità del soluto nel solvente). Questo fenomeno è detto microsegregazione.

Analogamente, si può osservare che il fronte di solidificazione si muove in modo piano verso il centro, quindi la parte centrale del getto, che solidificherà alla fine, avrà un contenuto maggiore di costituenti a basso punto di fusione. Questo fenomeno è detto di segregazione normale. Il risultato opposto si osserva, come già descritto, nelle dendriti, in cui la superficie esterna ha una maggior concentrazione di soluto (segregazione inversa).

Infine, si può osservare la segregazione per gravità, se i componenti in lega hanno densità molto diverse. I costituenti a densità maggiore si accumuleranno verso il basso, e viceversa.

Solidificazione del getto e ritiro volumetrico

Una struttura equiassica può essere favorita rispetto alla formazione delle dendriti attraverso agenti nucleanti o aumentando i fenomeni di convezione interna. Questi ultimi possono essere favoriti da agitazione, vibrazioni o tecniche elettromagnetiche. La convezione provoca infatti il movimento del fuso, che spezza facilmente le dendriti. Queste tecniche producono un fuso più uniforme.

Il ritiro volumetrico è un fenomeno da tenere in conto in quanto può causare la formazione di cricche interne al materiale, o di un cono di ritiro. La contrazione avviene durante il raffreddamento del fuso, durante il cambiamento di fase e durante il raffreddamento del solido. L’entità maggiore si osserva nella terza fase. Alcune leghe, come alcune ghise grigie, presentano una dilatazione durante il cambiamento di fase, poiché i grani di grafite che si formano hanno una densità molto bassa, quindi incrementano il volume del getto. L’acciaio ha una contrazione volumetrica del 2.5-4%.

Si definisce modulo di raffreddamento il rapporto tra il volume del getto e la superficie di scambio termico. Considerando una piastra, divisa in cubetti elementari, le uniche facce che hanno uno scambio termico con l’esterno sono quella superiore e inferiore, quindi il modulo di raffreddamento in questo caso si calcola come: S/V. Quindi un componente di forma cubica a due superfici disperdenti solidifica quando il fronte di raffreddamento raggiunge la distanza s/2 dalla superficie.

In fonderia è fondamentale evitare la formazione del cono di ritiro all’interno del pezzo. A questo fine si utilizzano le materozze. Una materozza è una cavità dimensionata in modo da essere l’ultima a solidificare, in modo che il cono di ritiro si formi in essa e non nel pezzo. La materozza sposta quindi il baricentro termico del pezzo e fornisce un apporto continuo di metallo fuso per bilanciare gli effetti del ritiro volumetrico. La materozza può essere a cielo aperto o chiusa. La seconda è preferibile poiché ha un raffreddamento più lento, tuttavia deve essere comunque collegata con l’atmosfera tramite sfiati in modo che la pressione spinga il fuso nelle cavità circostanti.

L’attacco tra materozza e pezzo è detto collare ed è di dimensioni inferiori rispetto alla materozza in modo da facilitarne la rimozione una volta estratto il pezzo. La forma ideale della materozza dovrebbe essere sferica, in quanto presenta un modulo di raffreddamento minimo, tuttavia è difficile da realizzare, per cui si preferisce una forma cilindrica o conica. Il modulo di raffreddamento del collare può essere calcolato in base alle dimensioni del collare stesso.

Per poter posizionare e dimensionare la materozza è necessario conoscere la direzione del raffreddamento. La zona a solidificare per prima è quella con maggior superficie rispetto al volume, e quindi quella con M minore. Affinché il cono di ritiro si formi sulla materozza, il modulo di raffreddamento di elementi contigui deve essere superiore del 10%, e infine la materozza deve avere un modulo maggiore del 20% rispetto all’ultima zona da solidificare. Per la materozza si può definire un raggio d’influenza, che rappresenta la distanza massima alla quale il fluido può fluire, a partire dalla materozza stessa. Il raggio d’influenza è definito dall’equazione R=ks dove s è lo spessore dell’oggetto e k è una costante che dipende dal materiale.

Si deve inoltre tener conto dell’effetto di estremità, da considerare nelle zone cieche della forma. Il raggio d’influenza associato a questo effetto è 2,5 volte lo spessore locale del pezzo.

Infine, possono essere utilizzati dei raffreddatori per velocizzare la solidificazione del metallo in alcune zone. I raffreddatori sono dei componenti solitamente metallici che sono a contatto con il metallo fuso in modo da aumentare lo scambio termico. Essi sono posizionati in zone strategiche quali incroci, in cui si rischia la formazione del cono di ritiro interno.

Sistemi di colata

Il getto fuso viene inserito nel bacino di colata seguito da un altare rialzato. Il getto supera l’altare per tracimazione e scende nel pozzetto attraverso il canale di colata. Il canale di colata è collegato al canale di distribuzione da cui si dipartono gli attacchi di colata. Il canale di colata è di solito conico in modo da evitare l’inclusione di aria all’interno del getto. Inoltre, il canale di distribuzione può avere una forma rastremata, in modo da bloccare le scorie. I canali di distribuzione e gli attacchi di colata di solito hanno forma trapezoidale.

Possono essere utilizzati filtri ceramici, che hanno lo scopo di trattenere le impurità o le gocce fredde che si sono formate durante il getto.

Tipologie di sistemi di colata

• Colata in piano: il canale di colata si apre sul piano di divisione delle staffe. Consente un riempimento graduale e una bassa erosione della forma.
• Colata diretta: il canale di colata si apre direttamente nella parte più alta della forma. Si presenta il problema delle gocce fredde e dell’erosione della forma. Sconsigliato.
• Colata in sorgente: il canale di colata si apre sul fondo della forma. Occorre però utilizzare un maggior numero di staffe rispetto a quella in piano.

Tra gli altri sistemi di colata figurano:

• Colata dall’alto a pioggia: le gocce di metallo fuso che cadono potrebbero solidificarsi durante la caduta, creando problemi di disomogeneità.
• Colata dal basso a stella: molto semplice da controllare, per forme cilindriche.
• Colata dal basso a sorgente.
• Colata a pettine: composta di diversi canali orizzontali. Essi si riempiono man mano che il getto avanza, in modo da evitare la caduta dall’alto del metallo fuso.

Si definisce gettata l’oggetto da ottenere attraverso la colata. La terra da fonderia viene compattata all’interno di due semi metà, dette staffe. La terra da fonderia è di per sé un materiale poroso, tuttavia è preferibile praticare degli sfiati tramite bacchette sottili, in modo da far fuoriuscire l’aria in eccesso. Se il pezzo presenta parti cave, queste vengono ottenute inserendo un’anima all’unione delle due staffe.

Il modello e la forma

L’estrazione del modello dalla terra può essere effettuata senza distruggere la forma solo se sono presenti adeguati angoli di spoglia, che dipendono dal materiale del modello e dalla profondità dell’impronta, e se non sono presenti sottosquadri. I modelli sono di solito metallici, di legno o di materiali sintetici. I sottosquadri possono essere eliminati da modelli scomponibili, accoppiati tramite spine.

Se è presente un’anima, si devono prevedere delle zone di appoggio dell’anima, dette portate d’anima. L’anima è di solito in terra, in modo da poter essere rimossa dal pezzo finito.

Nella definizione della geometria del componente c’è bisogno di tener conto del sovrametallo, ovvero sovradimensionare il pezzo, in modo da ovviare al ritiro volumetrico. Il sovrametallo in eccesso verrà poi eliminato tramite processi ad asportazione di truciolo. La quantità di sovrametallo dipende dal materiale, dalla dimensione del getto, dal metodo di formatura, dal costo della lavorazione e dal costo del getto.

Il modello deve essere progettato tenendo conto di adeguati raggi di raccordo, in modo da evitare tensioni residue, rendere più omogeneo il raffreddamento ed evitare l’erosione della terra. Per gli spigoli si usa un raggio di raccordo pari al sovrametallo, mentre per gli angoli esso è funzione della geometria del pezzo.

Le fasi della formatura sono:

• Disposizione del modello all’interno della staffa. Lo si può ricoprire di un distaccante, come il talco.
• Riempimento con terra, compattandola e livellandola.
• Creazione di sfiati all’interno della terra compattata.
• Si ribalta la staffa e si posizionano la staffa e il semi modello superiore.
• Apertura dello stampo, rimozione dei modelli, inserimento delle anime e chiusura.
• Getto.

La terra è additivata con diversi elementi in modo da migliorarne le proprietà, e pertanto lo smaltimento diventa più difficile. Inoltre, essa può essere riutilizzata attraverso processi di recupero.

Spinte metallostatiche

In fonderia si deve dare particolare attenzione alla densità della lega fusa, e ai relativi fenomeni di impatto sulla terra e spinte metallostatiche sulle staffe. Tali spinte possono deformare la terra o allontanare le staffe, formando pezzi imperfetti e bave. Conoscendo le superfici su cui agisce la pressione generata dal fluido si possono dimensionare i pesi da posizionare sulla superficie libera per evitare che la struttura si muova. Inoltre, le anime in terra non possono essere troppo piccole, poiché la spinta le sgretolerebbe. Bisogna tener conto della spinta che agisce sull’anima, uguale al peso del liquido spostato meno il peso dell’anima stessa. Questa spinta si scarica sulle portate d’anima, per cui queste ultime vanno dimensionate con attenzione.

Al fine di ridurre le spinte è preferibile posizionare la cavità che ospiterà il getto il più in alto possibile, in modo da ridurre la pressione sviluppata.

Il tempo di solidificazione è funzione del volume di fuso e della superficie di scambio, secondo la legge di Chvorinov: t = C * (V/S)ⁿ, dove C è una costante che dipende dal materiale della forma, dalle proprietà del metallo fuso e dalla temperatura. Lo spessore di raffreddamento dipende dalla radice quadrata del tempo di raffreddamento e da una costante k. Il pezzo è solidificato quando x=M, da cui si può ricavare il tempo di solidificazione. k vale 0,088 per un acciaio, 0,115 per l’alluminio e 0,07 per il rame.

Dimensionamento della materozza

Si parte dal considerare il ritiro volumetrico della materozza pari al 14-20% del volume iniziale. Inoltre, il volume di ritiro è anche uguale al volume totale, di materozza + pezzo, moltiplicato per una percentuale di ritiro b. Mettendo a sistema le due equazioni si ricava il volume della materozza. Con x=14% per materozze cilindriche e ovali, e 20% per materozze sferiche ed emisferiche.

Caratteristiche della terra

Le terre da fonderia sono il prodotto del fine sminuzzamento di rocce di composizione controllata. Il processo di polverizzazione è detto molazzatura. Spesso è prodotta artificialmente in modo da avere una composizione più precisa. La maggior parte delle operazioni di colata utilizza terre silicee. Una terra a grani fini e arrotondati presenta una buona permeabilità ai gas e vapori che si generano durante la colata. Una terra a granulometria troppo fine ha migliori proprietà meccaniche ma è meno permeabile ai gas. Una buona terra da fonderia deve anche avere una buona capacità di deformarsi in modo da evitare difetti dovuti al ritiro. In generale, una terra da fonderia è composta da:

• Silice granulare 85%.
• Bentonite 10%: agisce da legante argilla,
• Additivi 2%. Gli additivi sono composti che vengono aggiunti per migliorare le caratteristiche della terra, e i principali sono:
  • Amido: aumenta la scorrevolezza.
  • Farina di cereali: contrasta la dilatazione della forma e aumenta la plasticità della terra, per produrre forme più complesse.
  • Nero fumo: aumenta la refrattarietà e contrasta l’ossidazione del getto.
• Acqua 3%: consente di dare una consistenza più lavorabile alla forma. Essa deve essere eliminata tramite essiccazione oppure tramite sfiati che facciano fuoriuscire il vapore prodotto.

La forma può essere utilizzata tal quale (fusione al verde) o può essere essiccata. Le forme essiccate all’aria o in forni hanno una resistenza meccanica migliore, e quindi vengono realizzate per getti di grandi dimensioni. Garantiscono inoltre migliori tolleranze dimensionali, ma sono più suscettibili a cricche a caldo.

La terra deve essere caratterizzata da:

• Buona refrattarietà, cioè resistenza alle alte temperature e comportamento inerte rispetto alla lega.
• Coesione, cioè resistenza meccanica, funzione del legante (bentonite).
• Permeabilità ai gas.
• Scorrevolezza, cioè capacità del materiale di insinuarsi in tutte le cavità del modello per riprodurlo il più fedelmente possibile.
• Sgretolabilità, ovvero la capacità di essere rotta una volta terminato il processo di formatura.

A diverse terre sono associati diversi meccanismi di indurimento. I principali sono:

• Meccanico: compattando la terra tramite azioni meccaniche.
• Chimico: avviene per reazioni chimiche all’interno della terra.
• Termico: la solidificazione avviene tramite un processo di cottura.

Processo di formatura meccanica

La terra può essere compattata in diversi modi, in funzione dell’automazione del processo e delle caratteristiche del pezzo. Nella formatura a pressione la terra viene compattata tramite una pressa, che preme sulla parte libera della staffa. Questo processo produce un compattamento maggiore in prossimità della pressa, e minore intorno alla forma. La compattazione, quindi, non è uniforme, a differenza di quella manuale. Le grandi pressioni possono deformare la forma, che quindi deve essere preferibilmente metallica. Affinché questo processo sia adatto la sabbia deve possedere buona scorrevolezza. Questa tecnica è di facile applicazione, poco costosa, con una produzione di 20 pz/h, bassa qualità dimensionale, per masse inferiori ai 100 kg. Con questo processo si può recuperare fino al 70% della terra, in base agli additivi utilizzati.