Tecnologia meccanica pag. 63-76

Lezione del 18/10/12

Riassumendo

Abbiamo cominciato a parlare di fonderia iniziando a vedere le varie modalità di solidificazione; abbiamo parlato, inoltre, di ritiro del metallo nel processo di solidificazione: ritiro che si manifesta sotto forma di microporosità, presenti soprattutto quando abbiamo a che fare con cristalli dendritici e con un cono di ritiro. Il ritiro complessivo varia in modo regolare passando da una composizione all'altra: il rapporto fra microporosità ed entità del cono di ritiro varia parecchio. Il cono di ritiro è molto evidente quando abbiamo a che fare con metalli puri o con composizione eutettica, altrimenti la maggior parte del ritiro si manifesta sotto forma di microporosità. Poi abbiamo parlato di macrosegregazioni, i concetti fondamentali sono:

• Solidifica prima una miscela ricca della parte alto fondente;
• Solidifica più tardi la parte ricca della parte basso fondente.

A seconda delle situazioni distinguiamo diversi casi:

• Alta percentuale di elemento basso fondente al centro, con segregazione normale;
• Alta concentrazione di elemento basso fondente in periferia, con macrosegregazione inversa;
• Macrosegregazioni per quantità quando sono presenti delle inclusioni caratterizzate dal fatto di avere una densità nettamente diversa rispetto alla fase principale.

La viscosità rappresenta la resistenza che oppone un fluido a farsi mettere in movimento. La maggior parte dei fluidi ha comportamento newtoniano, ossia una relazione di proporzionalità fra velocità di deformazione di taglio e tensione di taglio. Per tensione superficiale si intende la forza che si instaura fra molecole sulla superficie di un fluido, è la stessa forza che consente agli insetti con le zampe molto lunghe di camminare sull'acqua. Spesso gli ossidi che si formano durante la colata sono caratterizzati da un’elevata tensione superficiale, in particolare l'ossido di alluminio ostacola, rallentando, in misura considerevole l'avanzamento del fluido e la presenza di questi ossidi perciò compromette il completo riempimento degli stampi.

Colabilità dei materiali

Diciamo che un metallo è caratterizzato da un’elevata colabilità se con quel metallo è facile riempire uno stampo. La colabilità dipende da un gran numero di fattori che entrano in gioco: la viscosità, la tensione superficiale, l'attrito sulle pareti dello stampo, lo scambio termico, il livello di temperatura e il tipo di cristalli che si formano durante la solidificazione. In pratica tutto quello che influenza il moto del metallo fuso nei condotti, influisce sulla colabilità del metallo. Di fatto non esiste una scala di colabilità a causa del gran numero di fattori che influiscono su questa proprietà dei metalli. Perciò si utilizzano delle prove tecnologiche per confrontare il comportamento dei metalli fusi. Ricordiamo che le prove tecnologiche sono quelle prove specifiche scelte a seconda delle tecniche produttive che ci interessano.

Prova di colabilità

La prova di colabilità è specifica per le tecniche di fonderia. Proprio per il gran numero di parametri che hanno influenza sulla colabilità, le prove che la misurano devono “replicare” nel modo più fedele possibile le condizioni che si verificano nel processo di fonderia. Cosa s’intende per “replicare”? S’intende che la lega che vogliamo colare, il materiale dello stampo “dell'apparato”, le velocità in gioco e le dimensioni della forma dei condotti devono essere le stesse di quelle usate nella prova. Quali sono le geometrie che si incontrano nella prova di colabilità?

• Figura (a): Molto spesso si ha a che fare con un condotto tronco-conico dal quale si diparte una spirale: il metallo fluisce fino ad un certo punto dove, a causa dell'attrito o del raffreddamento, della viscosità o di tutti gli altri parametri, si ferma e quel punto per noi diventa l'indice di colabilità del metallo o della lega. Più alto è l'indice di colabilità e più facilmente si riempirà lo stampo.
• Figura (b): Dal condotto tronco-conico parte il cosiddetto letto fluido e, insieme a quella precedente, rappresenta una prova adatta a simulare un processo di colata in cui lo stampo è alimentato dall'alto; sfruttiamo cioè la gravità per riempirlo.
• Figura (c): La terza prova è invece un po' diversa perché in alcuni casi si preferisce, per motivi che vedremo più avanti, alimentare il condotto dal basso. In questa figura abbiamo un contenitore in silice, un materiale refrattario che fonde ad alta temperatura, in cui c'è del metallo fuso e inseriamo nel contenitore un tubo (in silice) a cui dall'altra parte colleghiamo una pompa a vuoto, ossia una pompa che è in grado di produrre una certa depressione all'interno del tubo stesso. Nel momento in cui noi provochiamo la depressione nel tubo, il metallo risalirà con una spinta che dipende dalla depressione che pratichiamo e dalla colabilità. Sfruttiamo perciò lo stesso grado di vuoto per confrontare metalli diversi.

Cosa contraddistingue l’alimentazione dal basso a quella dall’alto?

Ciò che fa la differenza è il flusso del metallo fuso. L’alimentazione dal basso ha un flusso molto lento e ordinato, a differenza di quella dall'alto che ha un flusso molto veloce e disordinato. Un parametro che modifica la colabilità è la temperatura degli stampi: più caldo è lo stampo, più aumenta la colabilità del metallo; quindi se introduciamo in uno stampo riscaldato un metallo, il raffreddamento di quest'ultimo è più lento ma si producono grani cristallini di grandi dimensioni e questo peggiora le caratteristiche meccaniche del prodotto finale. Un altro fattore che influisce sulla colabilità è il tipo di grano cristallino. Alcuni parametri influenti sulla colabilità sono raggruppati nel grafico qui sotto: In ascissa c'è la temperatura dello stampo, in ordinata è indicata la velocità di raffreddamento (Δt, t è il tempo); inoltre la curva continua mostra le dimensioni dei grani, la curva tratteggiata rappresenta la colabilità che aumenta quindi con la temperatura degli stampi. Più lo stampo è caldo, più cala la velocità di produzione perché dobbiamo aspettare più tempo per rimuovere lo stampo. Ci sono due curve che dipendono dai grani cristallini: la differenza sta nel fatto che a volte si aggiungono degli elementi che facilitino la formazione di grani di piccole dimensioni.

Principali leghe da fonderia

Spesso le leghe da fonderia sono viste in contrapposizione con le leghe adatte a lavorazioni di tipo deformativo, in altre parole sono lavorazioni plastiche. Tuttavia esistono leghe che vanno bene in entrambi i casi: la tabella che vediamo ora mostra l’evoluzione delle leghe di fonderia. Si nota che in generale c'è stata una diminuzione della produzione per tutti i materiali e si nota anche che le leghe principali sono le ghise sferoidali e le leghe di alluminio. Però è da tenere presente il fatto che anche le leghe per le deformazioni plastiche sono passate quasi tutte attraverso...