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Tecniche e processi di fonderia: Appunti Tecnologie Generali Appunti scolastici Premium

Appunti di tecnologie generali dei materiali sulle tecniche e i processi di fonderia basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. Imperio dell’università degli Studi Politecnico di Milano - Polimi. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Tecnologie generali dei materiali docente Prof. E. Imperio

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RIASSUNTO

Solidificazione dei getti L’ultimo punto che va a solidificare è detto baricentro termico.

La solidificazione dei getti è tanto più veloce nelle zone in cui lo scambio

termico tra liquido e stampo è tanto più elevato; per cui la solidificazione

di un pezzo inizia dalle zone in cui la capacità termica è minore e avana

verso quelle in cui essa è maggiore. Ultimo pezzo che solidifica potrebbe

non avere uniformità di solidificazione e presentare un cono di ritiro.

Modulo termico = rapporto tra il volume del pezzo e l’area di scambio termico, cioè tutte le superfici che sono a contatto

con aria, sabbia… cioè parti in cui possono rilasciare calore:

Regola di Chvorinov: misura il tempo di solidificazione: con solitamente pari a 2.

ESEMPIO LASTRA PIANA: In questo caso si può dimostrare che il tempo di solidificazione è proporzionale

quadrato del modulo termico

Infatti, se prendo una piastra si può osservare che il tempo di solidificazione

è proporzionale al quadrato del modulo termico che è dato dal rapporto tra

X il volume del pezzo fratto la superficie di scambio termico. Quindi se ho una

piastra e il fronte solido avanza dalla superficie esterna all’interna il fronte

avanza quando i due fronti sono avanzati di mezzo spessore.

Modulo termico: nel caso della piastra trascurando gli effetti di bordo preso un cubo di lato s in una piastra di spessore s il

volume è s al cubo e la superficie di scambio termico vale due volte la superficie delle facce superficie e inferiore quelle

laterali non le conto perché non avviene scambio termico quindi

Inltre so che la distanza di solidificazione al variare del tempo segue la seguente legge:

Per cui →

MODULO TERMICO E DIREZIONE DI SOLIDIFICAZIONE

Se il corpo ha una forma complessa devo scomporlo in più parti e per ciascuna ne calcolo il modulo termico, in seguito

verifico se esistono una o più direzioni di solidificazione ossia una zona da cui parte il fronte solido. Dalla prima all’ultima

zona considerata esiste una direzionalità della solidificazione, se, da un punto di vista qualitativo, viene verificato che ogni

pezzo successivo ha il 10% di modulo termico in più rispetto al pezzo precedente. modulo termico

Tuttavia il del pezzo

successivo non deve essere maggiore più del 30% poiché altrimenti la solidificazione del secondo pezzo sarebbe troppo lenta.

Infatti la solidificazione avviene prima per i pezzi a modulo termico minore poi per quelli a maggiore. L’ultimo punto che va

a solidificarsi si chiama baricentro termico e va verso il centro dell’ultimo elemento in cui non c’è uniformità di

solidificazione nel pezzo. Tutti questi passaggi servono a farmi capire dove e quante materozze devo mettere. La materozza

fornisce metallo liquido mano a mano che avviene il ritiro in modo tale che il difetto nel cono di ritiro vada a confinarsi

tutto ed esclusivamente nella materozza. CONDIZIONE DIREZIONE di SOLIDIFICAZIONE

In corrispondenza delle zone del getto che

solidificano per ultime è necessario

predisporre un sistema di alimentazio-ne,

costituito da una o più materozze.

Se nella zona a maggior modulo termico metto una materozza, che deve essere opportunamente progettata in modo tale

che il suo modulo termico sia maggiore del 20% rispetto al modulo termico della porzione su cui è posta. Per avere un

modulo termico alto nella materozza devo cercare di aumentare la resistenza alla solidificazione, questo può essere fatto

aumentando la densità del metallo liquido presente in essa e diminuendo la superficie di scambio termico. Se la materozza

è stata dimensionata bene tutto il ritiro si scarica dentro la materozza, mentre se la progetto male la zona nel cerchio rosso

detta collare si è solidificata prima della zona 4, quindi quando la zona 4 si solidifica, si ritira ma non può più essere

apportato metallo liquido dalla materozza, non sopperendo così alla mancanza di materiale in zona 4.

Dal frame capisco che sono state messe due materozze: le parti più

calde sono indicate dalla freccia verde quindi vuol dire che le ultime

zone che andranno a solidificare sono nelle materozze. Le direzioni di

solidificazione nell’immagine sono due perché ci sono due materozze.

Dove c’è maggiore massività ho maggior calore. Dal frame non ci

capisce se le materozze sono cieche o a cielo aperto. La solidificazione

inizia dove ho una parte più sottile e va alla parte più spessa. Il fronte

solido gestito da una data materozza converge verso la materozza

stessa.

Nell’immagine a sinistra è rappresentata in A una materozza a cielo

aperto, in B una materozza cieca, cioè alligata completamente nella

terra pertanto il fronte solido di una materozza cieca va ad interessare

tutta la superficie della materozza compresa la parte superiore quindi si

forma una crosta esterna mentre dentro è ancora liquida; mano a

mano che rabbocca il materiale, nella materozza cieca si crea una

depressione, e andandosi a svuotare l’effetto di risucchio nella

materozza è tale da vincere il flusso del materiale metallico dentro la

mateozza, quindi la materozza pur liquida non riesce più a rabboccare.

Col setto poroso ripristino la pressione atmosferica dentro la sacca (il

setto poroso è fatto in sabbia e mette in comunicazione la crosta della materozza

Il setto poroso ripristina la pressione atmosferica nella

con l’eterno).

materozza cieca.

Per dimensionare il sistema di alimentazione suddivido il pezzo in forme

elementari e per ciascuna calcolo il modulo di raffreddamento quindi

definisco la direzione di solidificazione e definisco le zone che richiedono

alimentazione. Per ogni zona predispongo una materozza di opportuno

modulo (metodo di Caine), infine verifico il raggio di influenza (numero delle

materozze). Se devo solidificare una lastra lunga e concentro la materozza

tutto in un punto non controllo tutta la lunghezza di solidificazione perché le

materozze hanno un raggio di influenza, quindi le zone solidificherebbero

casualmente e potrebbero formarsi delle sacche di liquido circondate da

zone solide che non possono più essere rabboccate. Perciò quando queste

zone si solidificheranno, a causa del fenomeno del ritiro, avranno origine delle sacche di ritiro. Esse saranno ad alta

tensione interna e sito preferenziale per formazione di cricche, cedimenti e rottura fragile. Per evitare la loro formazione

solitamente si pongono più materozze perché, per esempio, se ho un fronte solido fra due materozze, esso si svilupperà sia

nella direzione della materozza di destra che di quella di sinistra quindi non si formano sacche di liquido.

METODO di CAINE

Tale metodo è usato per la progettazione della materozza perché consente di determinare le corrette dimensioni della

materozza che consentono di:

- rilasciare la giusta quantità di metallo al getto che sta solidificando

- mantenere il metallo in essa contenuto, liquido finché il getto alimentato da essa sia solidificato completamente

L’equazione di Caine rappresenta molto bene il comportamento di un materiale metallico in solidificazione e mi dice quali

materozze sono buone per ogni singolo caso.

Dal diagramma vedo che:

- in ascissa ho il rapporto tra M = modulo termico della materozza e M = modulo

m p

termico della parte adiacente alla materozza → X = M / M

m p

- in ordinata ho il rapporto tra V = volume della materozza e V = volume della

m p

parte del getto governata da tale materozza, che può non coincidere solo con la

parte del getto adiacente alla materozza → Y = V / V

m p

Attenzione il modulo termico della materozza deve essere il 20% in più del pezzo

adiacente perché la materozza se è a cielo aperto di raffredda più velocemente

delle altre zone che avevano le superficie a contatto con la terra di fonderia o le

altre parti del pezzo quindi la materozza solidificherebbe prima pertanto compenso la rapida compensazione col modulo

termico alto. Per avere un modulo termico maggiore devo avere una quantità di materiale metallico maggiore o una

superficie di scambio termico minore, più massa ho nella materozza più tempo impiega a solidificare. In ordinata ho il

volume della materozza fratto il volume totale del pezzo o della parte di pezzo gestita dalla materozza.

La zona “buona” (o zona dei pezzi sani)può essere espressa come:

dove:

• x = modulo materozza/modulo getto = t relativo

solidificazione

• y = volume materozza/volume getto = volume relativo

• b = contrazione in fase L-S del metallo

• c = velocità raffreddamento relativa materozza-terra vs getto-terra

• a = costante sperimentale (0.1 per gli acciai)

GLI ASINTOTI

Coefficiente di contrazione b

Se la velocità di raffreddamento della materozza è infinitamente più piccola della velocità di raffreddamento del getto

(x→∞) il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto è pari alla contrazione del getto stesso.

Velocità di raffreddamento relativa c

Se materozza e getto solidificano con la stessa velocità di raffreddamento (ovvero sono entrambi a contatto con la stessa

terra) il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto tende all’infinito.

Quando sono sul valore di X=1.20 sono in una condizione favorevole, se avessi

avuto il valore 1 mai sarei riuscito ad avere un pezzo buono e sempre avrei

generato delle cavità di ritiro. La velocità di raffreddamento c tra la materozza

e la terra e tra il getto e la terra vale 1 (dal grafico sopra 1 è l’asintoto). Se uso

una materozza coibentata spreco meno lega in quanto solidifica più

lentamente e il valore di c passa a 0.8.

Operativamente si sceglie un punto (X ,Y ) nella zona dei pezzi sani e si ricava:

0 0

M = X M V = Y V

e

m 0 * p m 0 * p

conseguentemente si sceglierà una materozza fra quelle disponibili.

ALIMENTAZIONE E RAGGIO DI INFLUENZA

Se la solidificazione del getto avviene correttamente non si verifica la formazione di porosità dovute alla solidificazione

delle sacche di liquido interdendritico, ma tale liquido si solidificherà secondo la direzione di solidificazione; se solidificano

male si formano porosità interdentritiche. Nell’immagine a lato ricordo che ho

una terza dimensione quindi il liquido non è confinato fra due dendriti ma può

ancora sportarsi. Per evitare le porosità interviene la materozza sapendo che ci

sono dei raggi d’influenza (se le porosità/sacche sono nel raggio d’influenza

della materozza il problema viene evitato, altrimenti no).

Quindi è necessario mirare ad aumentare il raggio di influenza delle materozze

in modo tale da comprendere tutte le zone in cui si sono formate le sacche.

Per aumentare il raggio di influenza posso:

1. utilizzare il raffreddatore che aumenta il raggio d’influenza della materozza quindi compenso difetti come la porosità

interdentritica;

2. mettere delle resistenze elettriche annegate nella sabbia attorno alle cavità/zone in cui sono al limite del raggio di

influenza della materozza, cioè zone lontane dalla materozza dove difficilmente arriva il liquido della materozza;

3. ingrandire la puleggia per permettere al metallo liquido di apporto della

materozza di fluire più facile mete e raggiungere tutta la lunghezza della

puleggia (parte orizzontale).

Sistema di Colata

L’obiettivo è di progettare l’insieme di canalizzazioni che permettono alla lega liquida di riempire la forma. Per far ciò si

osservano le seguenti regole pratiche:

• forma deve essere riempita rapidamente, per far si che durante tutta la durata del processo di colata il metallo sia

sempre allo stato liquido → v alta;

colata

• occorre però evitare forti velocità e turbolenze della corrente fluida. Non instaurare moto turbolento, pericoloso

poiché provocherebbe il trascinamento all’interno del metallo di granelli di sabbia dello stampo e della scoria che

creerebbero inclusioni non metalliche → v alta ma in moto laminare;

colata

• occorre distribuire la vena fluida in modo contemporaneo nelle varie parti del getto in modo tale che la temperatura

del metallo liquido nelle varie zone sia il più possibile omogenea e superiore a T fino a che tutto lo stampo è stato

fusione

riempito per evitare creazione di cavità, riprese colaggio e pezzi incompleti → t < t ;

riempimento stampo inizio solidificazione

• occorre controllare il gradiente termico;

• tempo di colata del metallo liquido deve essere minore del tempo massimo di esposizione dello stampo all’irraggia-

mento del metallo liquido. Questo per evitare che lo stampo sia danneggiato dall’irraggiamento e che si distacchi

parte di esso formando inclusioni, difetti, perdità umidità, ecc. incompleti → t < t

colata max di irraggiamento

Elementi caratteristici del sistema di colata sono:

• bacino di colata = dal quale è versato il metallo fuso

• canale di colata = tubo che permette di collegare il bacino di colata con i canali di

distribuzione

• canale distributore

• attacchi di colata = tubi che permettono di colare metallo nelle varie zone dello

stampo

• trappole, filtri, pozzetti = hanno il compito di ridurre la velocità di colata e

purificare il metallo dalle scorie che galleggiano su di

essa

Esistono due tipologie di sistemi di colata, in base alle proporzioni delle dimensioni dei vari canali che costituiscono il

sistema stesso:

1. SISTEMA PRESSURIZZATO

Si definisce sistema pressurizzato, un sistema di colata in cui il rapporto delle sezioni S : S : S è decrescente o al limite

c d a

uguale, cioè in cui il rapporto delle dimensioni delle sezioni totali dei canali va via via decrescendo dalla sezione totale dei

canali di colata alla sezione totale degli attacchi di colata, cioè dalla siviera al foro. (Esempio S : S : S = 3 : 2 : 2)

c d a

In questa configurazione all’interno del sistema il metallo riempie sempre tutti canali e la sezione di strizione S coincide

s

con la S sezione degli attacchi di colata. Inoltre la velocità di flusso del metallo all’interno dei canali è elevata.

a

Per tale motivo, questa tipologia di sistema è impiegata per leghe che si ossidano molto lentamente, poiché essendo il

flusso di metallo liquido all’interno dei canali in moto turbolento (poiché velocità flusso elevata), il metallo liquido è

continuamente soggetto a rimescolamento. Se usassi un metallo che si ossida facilmente, la scoria di ossido che si forma

sul pelo del metallo penetrerebbe all’interno del metallo fuso creando dannose inclusioni di scoria.

2. SISTEMA NON PRESSURIZZATO

Si definisce sistema non pressurizzato, un sistema di colata in cui il rapporto delle sezioni S : S : S è crescente o al limite

c d a

uguale, cioè in cui il rapporto delle dimensioni delle sezioni totali dei canali va via via aumentando dalla sezione totale dei

canali di colata alla sezione totale degli attacchi di colata, cioè dalla siviera al foro. (Esempio S : S : S = 1 : 2 : 4)

c d a

In questa configurazione all’interno del sistema il metallo non riempie mai totalmente tutti i canali e la sezione di strizione

S coincide con la S sezione di colata.

c

s

Inoltre, in questo caso, la velocità di flusso del metallo all’interno dei canali è bassa e va via via diminuendo data il

dimensionamento del sistema.

Pertanto, questa tipologia di sistema è impiegata per leghe che si ossidano velocemente; difatti, nonostante i tubi non

siano totalmente pieni e quindi nonostante il metallo, già facilmente ossidabile, abbia un’elevata superficie di contatto con

l’aria, tuttavia essendo il flusso di metallo liquido all’interno dei canali in moto laminare (non turbolento), poiché velocità

di flusso è molto lenta, il metallo liquido non è soggetto a rimescolamento. Per cui la scoria di ossido che si forma sul pelo

del metallo non penetra all’interno del metallo fuso, ma rimane sul pelo della colata e galleggia e rimane sulla parte

esterna del grezzo nello stampo, formando una crosta esterna del pezzo, che sarà poi quella eliminata per asportazione di

truciolo. Questo permette però di non avere inclusioni e difetti all’interno del pezzo finale.

DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA DI COLATA

Assumendo un fluido incomprimibile, una forma con pareti impermeabili, la massa di fluido che passa in ogni sezione

nell’unità di tempo è costante: S · v = cost = Q = V/ tr = P / ( g · t )

s r

dove: 2

S = sezione totale di strizione, che coincide con l’area (complessiva) della sezione di strozzatura (m ), invero la superficie

S totale minima tra tutte le superfici totali dei tre componenti. Essa limita effetto dell’efflusso del metallo

v = velocità metallo nella sezione di strozzatura (m/s)

3

Q = portata volumetrica (m /s) 3

V = volume del metallo da colare (m )

P = peso del metallo da colare (kg )

f 3

g = peso specifico del metallo (kg /m )

f

t = tempo di riempimento (s)

r

Occorre determinare l’area della sezione di strozzatura (sezione minima):

S =

S

Secondo il principio di Bernoulli, basato sul principio di conservazione dell’energia, l’energia posseduta dal fluido nella

sezione 1 deve essere la stessa (a meno delle perdite di carico) dell’energia posseduta dal fluido nella sezione 2:

Considerata la relazione: 12 22

h + v /(2g) = h + v /(2g)

1 2

dove

• v = 0 (consideriamo il fluido immobile nella sezione 1)

1

• h = Hm = altezza dal pelo libero

1

• v = v (velocità nella sezione di strozzatura)

2

• h = 0

2

• g = 9.8 (m/s2)

• c = perdite di carico, variano in base alla tipologia di sistema di colata perché esse vengono

calcolate dal bacino di colata alla sezione di strizione →

la velocità nella sezione di strozzatura risulta:

v = c

In ogni caso la velocità nella sezione di strozzatura deve essere inferiore a 1 per evitare turbolenze ed inclusioni.

m/s

è l’ALTEZZA DEL PELO LIBERO ed essa varia in base alla tipologia di configurazione di colata che effettuo, cioè in base a

dove posiziono l’attacco di colata rispetto alla cavità nella forma. Vi sono tre tipologie di colata:

1. COLATA DIRETTA

La quota media, cioè il pelo libero, è coincide con h poiché coincide con la distanza tra

il livello del metallo liquido nel bacino di colata e gli attacchi di colata.

Il metallo liquido cade a pioggia e quindi ho schizzi che solidificano prima che tutto il

metallo sia stato colato nella forma. Questo crea discontinuità e macrodifetti.

2. COLATA IN SORGENTE Quando gli attacchi di colata aggrediscono lo stampo dal basso, cioè la

colata risale, la forma del pezzo deve essere tutta compresa in

un’unica staffa dello stampo. Nell’altra staffa vi è soltanto il condotto

di distribuzione del metallo liquido. In questo modo, non avendo

schizzi, ho anche una migliore omogeneità della colata.

3. COLATA IN PIANO Quando gli attacchi di colata sono posti sul piano di divisione, cioè a metà

tra le due staffe e in questo caso si ha una distribuzione orizzontale.

Questa tipologia di colata è la combinazione delle due precedenti poiché,

all’inizio viene riempita la parte di stampo nella staffa inferiore ed in

questo caso la colata sarà “diretta”, mentre, una volta riempito tutta la

parte della forma nella staffa inferiore inizierà anche a riempirsi la parte di

stampo superiore e tale tipologia di colata sarà “in sorgente”.

In termini di formule

dove

Infatti, la formula sopra riportata deriva dal fatto che inizialmente, finché non si completa il riempimento dalla porzione r’

del getto al di sotto del piano di separazione, la velocità sarà calcolata con ; successivamente si avrà contropressione e la

velocità media di riempimento della porzione r” al di sopra del piano sarà calcolata con


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frini

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria dei materiali e delle nanotecnologie
SSD:
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher frini di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnologie generali dei materiali e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano - Polimi o del prof Imperio Ernesto.

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