Studi di fabbricazione

CONDIZIONI REALI DI SOLIDIFICAZIONE

A causa della non perfetta diffusione nel liquido, in prossimità del fronte di solidificazione, la fase liquida si arricchisce del soluto che viene rigettato nella fase solida in accrescimento: ciò determina la variazione della temperatura di solidificazione del liquido. Confrontando la temperatura del liquido e la temperatura di solidificazione teorica del liquido si può evidenziare o meno un sottoraffreddamento detto "costituzionale" o di "composizione" che dipende dalla velocità di raffreddamento:

1. Velocità di raffreddamento bassa: ridotto sottoraffreddamento costituzionale al fronte della fase solida - struttura planare (Plane growth)
2. Velocità di raffreddamento mediamente elevata: sottoraffreddamento costituzionale intermedio al fronte della fase solida - struttura cellulare (Cell growth)
3. Velocità di raffreddamento elevata: sottoraffreddamento costituzionale

Elevato al fronte della fase solida: struttura dendritica (Dendrite growth)

Nei processi di formatura da liquido industriali le condizioni di solidificazione portano generalmente a strutture dendritiche o planari.

STRUTTURA DI SOLIDIFICAZIONE DI UN GETTO

Quando le velocità di solidificazione sono particolarmente elevate, la nucleazione dei germi cristallini nella massa liquida avviene in un numero particolarmente elevato di punti e l'accrescimento è omogeneo in tutte le direzioni: si hanno molti grani di dimensioni estremamente ridotte, di forma sferica/poligonale (equiassica); queste strutture sono riscontrabili sulla superficie del getto direttamente a contatto con lo stampo. Gli strati più interni del getto sono soggetti ad una velocità di raffreddamento minore di quella esterna, in questo caso le strutture che si formano sono di tipo colonnare, cioè dendriti. Nelle zone ancora più interne del getto ritroviamo di nuovo strutture di tipo equiassico.

ma di dimensioni maggiori. Chiaramente questa diversificazione varia a seconda del metallo o lega che viene colato.

CONTRAZIONI DI VOLUME NEL RAFFREDDAMENTO

La solidificazione avviene per strati successivi, a partire dalle superfici del getto verso l'interno: durante il raffreddamento di un getto il materiale subisce delle notevoli riduzioni di volume per via della contrazione termica, che avviene prima allo stato liquido e poi si manifesta come ritiro di solidificazione, e continua a manifestarsi nelle fasi di raffreddamento in fase solida. Si creano dunque i cosiddetti "coni di ritiro" o "cavità di ritiro": sono conseguenti alla contrazione volumetrica e non possono essere accettabili nel volume di un pezzo destinato a qualsiasi applicazione; dunque si utilizza la cosiddetta "materozza", si tratta di un volume aggiuntivo di pezzo, esterno alla geometria prevista. Il rapporto tra la il volume della zona liquida e la sua superficie è

chiamato MODULO M = V/A.Tanto maggiore è il modulo tanto minore sarà la velocità di solidificazione del getto.

Consideriamo un pezzo e dividiamolo in 4 zone; ogni zona avrà un modulo diverso, M1, M2, M3, M4: la solidificazione comincia da M1, mentre le altre tre zone sono allo stato liquido. Il (pur minimo) trasferimento di materiale dalla zona 2 alla zona 1 prende il nome di "alimentazione". Lo stesso fenomeno si verifica poi tra zona 2 e zona 3, e così via. Perché le materozze svolgano efficacemente il loro compito devono essere poste nell'ultima zona del getto che solidifica e che tutta la solidificazione avvenga in maniera direzionale, nella quale le zone a modulo maggiore alimentano quelle a modulo minore immediatamente adiacente.

Il processo di solidificazione del getto deve essere accuratamente progettato: si sfruttano diversi metodi per far si che la solidificazione avvenga in maniera direzionale.

- Applicazione di

raffreddatori nelle zone di cui si desidera anticipare la solidificazione rispetto aquanto sarebbe la tendenza naturale dovuta al modulo: la solidificazione parte dalla flangia di base(dove è applicato il raffreddatore) e prosegue nella parete sovrastante, etc. Spesso le materozzesono applicate "cieche" ovvero completamente immerse nella sabbia.

Applicazione di rallentatori (come materiali coibenti, polveri "esotermiche", vernici con proprietà particolari).

L'inserimento di raffreddatori e rallentatori è possibile solo nei processi in sabbia, nei processi in conchiglia è possibile solo l'applicazione di materozze.

Per promuovere la solidificazione direzionale di un getto è quindi fondamentale studiare le modalità di raffreddamento, risolvendo le criticità per zone che non risultano alimentate, utilizzando diversi metodi:

• Orientamento del pezzo (posizionando in alto zone con modulo maggiore)

DIFETTI DEI GETTI

I getti di fusione sono soggetti ad un numero elevato di potenziali difetti, che hanno origine da fenomeni fisici legati al riempimento dello stampo, alla solidificazione e al raffreddamento. Si possono classificare dunque:

1. Difetti da riempimento
• Intrappolamento d'aria: si tratta di bolle d'aria intrappolate dal metallo allo stato liquido mentre viene versato nella forma, dipende da un'errata progettazione del sistema di colata. A volte l'intrappolamento d'aria avviene direttamente dalla superficie del liquido, insieme allo strato di ossido che la ricopre, in questo caso la cavità è fortemente frastagliata.
• Misrun e giunti freddi: in questo caso il fluido si raffredda troppo velocemente mentre riempie la forma e non possiede la

fluidità necessaria a riempirla completamente, come conseguenza si hanno riempimenti incompleti, detti misrun, oppure riempimenti completi ma flussi di materiale che si incontrano senza mischiarsi o saldarsi completamente.

2. Difetti da solidificazione

- Macroporosità da ritiro: questo è il difetto più comune. La riduzione del volume di materiale dovuta al raffreddamento prima e durante la solidificazione produce l'incapacità del materiale liquido di riempire zone del getto che si stanno contraendo, come conseguenza si hanno cavità da ritiro, che si presentano nelle ultime zone del getto che solidificano, per prevenirli si usano materozze. Si usano analisi FEM.

- Microporosità da ritiro: lo stesso tipo di difetto si può presentare a livello micrometrico, con piccole cavità dell'ordine di pochi decimi di millimetro. Le porosità da ritiro si distinguono da quelle da gas perché hanno forma irregolare

Microporosità da gas: al diminuire della temperatura del metallo fuso, si riduce la solubilità del gas del metallo e di conseguenza il metallo genera gas che si disperde nel liquido sotto forma di piccole "bolle rotonde". Per evitare questo difetto subito prima della colata occorre realizzare procedimenti di degasaggio sul metallo liquido.

Macrosegregazione: differente composizione chimica in differenti zone del getto.

Microsegregazione: lo stesso difetto si può verificare anche a livello di ogni singolo grano.

Cristallizzazione grossolana.

Difetti da raffreddamento allo stato solido:

• Distorsioni
• Tensioni residue
• Hot tears

Per i più rilevanti di questi difetti sono disponibili codici di simulazione FEM tali da poter prevedere i risultati per i diversi casi, anche se è difficile arrivare ad un buon grado di affidabilità per l'elevata complessità dei modelli. Tuttavia l'utilizzo di questi metodi consente di

risparmiare i costi elevati di ripresa di uno stampo difettoso, ecco perché le fonderie più grandi possiedono anche un reparto di ingegneria che studia tutti i processi prima di mandarli in produzione. Questo è possibile però solo per i casi più semplici, come prevedere la formazione di macrocavità da ritiro in un getto, ecco perché spesso le aziende utilizzano un approccio "trial and error", ovvero correggere sul campo sulla base di quanto osservato nella produzione. Queste tecniche, in conclusione, sono utilizzate dalle industrie con le maggiori necessità di soddisfare requisiti qualitativi elevati, come l'aerospaziale e aeronautica.

METODOLOGIE DI CONTROLLO STRUTTURALE DEI GETTI

Il principale metodo di indagine dei getti di alluminio è la radiografia del getto; per getti di ghisa, di acciaio e di tutti gli altri materiali pesanti si usano fasci di raggi X di alta potenza, estremamente dannosi per la salute.

PROVA DI DUREZZA

La durezza di un materiale è la resistenza che esso oppone alla sua penetrazione da parte di un corpo esterno di materiale più duro (puntatore).

I vantaggi della prova di durezza (rispetto alle altre prove sui materiali) sono:

• Poco costosa
• Veloce
• Quasi non distruttiva (differenza con la prova di trazione)
• Utilizzabile come controllo di qualità
• Correlazione tra durezza e carico di rottura

La prova di durezza consente:

1. Confronto tra i diversi materiali
2. Scelta del tipo di lavorazione
3. Scelta dei parametri di taglio per lavorazioni alle macchine utensili (MU)
4. Scelta degli utensili
5. Scelta dei materiali idonei per i componenti sottoposti ad usura

Esistono varie prove di durezza:

1. Brinell HB
2. Vickers HV
3. Rockwell HR
4. Knoop HK

più antico per valutare la durezza, inventato dall’ingegneresvedese Brinell nel ‘900. La prova Brinell consiste nel far penetrare nel materiale una sfera di acciaioduro di diametro D, premuta con una forza F (carico di prova), la sfera lascerà un’impronta sulmateriale. L’esecuzione della prova implica le seguenti fasi:

1. Applicazione del carico (10 – 15 s)
2. Scarico
3. Esame dell’impronta

La durezza del materiale sarà valutata calcolando il diametro dell’impronta lasciata dalpuntatore “in pianta”, misurato tramite una lente di ingrandimento o un microscopio. Esistonodiversi diametri a seconda dello spessore del pezzo.

La durezza ha dimensione di pressione, ma le normative prevedono come unità di misura HB permisurazioni effettuate con prova Brinell. La prova Brinell ha diverse peculiarità:

• Ripetibilità garantita solo tra indentazioni geometricamente simili (d/D= costante)
• La larghezza

dell’impronta permette di uniformare le differenze locali