Tecnologia meccanica - pag. 47-62

FONDERIA – STRUTTURA E PROPRIETÀ DEI GETTI

La fonderia è quell'insieme di tecniche di produzione nelle quali il metallo viene portato allo stato fuso e poi versato in uno stampo che gli dà la forma. Il 95-98% dei metalli prodotti passano attraverso lo stato fuso. Le tecniche di produzione usate in grandissima quantità sono difficili da studiare perché ci sono da tener conto dell'aspetto tecnico, della temperatura, del tempo, della formazione dei cristalli, dello scambio termico con lo stampo.

Come è organizzata la presentazione di queste tecniche di fonderia? In sostanza cominceremo parlando di aspetti comuni a tutte le tecniche di fonderia, poi andremo a vedere cosa le differenzia l'una dall'altra.

Come avviene la solidificazione? Supponiamo di versare una certa quantità di metallo puro in un contenitore (vedi figura seguente): il tutto viene determinato dalla velocità di raffreddamento del metallo. Lo scambio termico

avvieneessenzialmente attraverso le pareti del contenitore: inizialmente quando versiamo il metallo fusoqueste pareti sono fredde, perciò ci sarà uno straterello di metallo che solidifica immediatamente,cioè si porta immediatamente al di sotto della temperatura di fusione. I cristalli che si formano sonopiccoli ed hanno un aspetto equiassico, cioè hanno più o meno la stessa forma in tutte le direzioni.Inoltre nel frattempo la parete del contenitore si è scaldata, perciò la velocità di raffreddamento delresto della massa metallica è molto più bassa, di conseguenza si stabilisce una modalità di flusso del48calore orizzontale. Avremo perciò che il flusso di calore è tutto parallelo diretto dalla massa metal-lica verso la parete del contenitore e poi verso l’aria circostante.Questo fa si che sia privilegiata la crescita di quei cristalli che hanno direzione di accrescimento parallela al

flusso di calore uscente, perciò si sviluppano, nel caso di metalli fusi, dei cristalli "colon-nari" paralleli tra di loro, generalmente di dimensioni abbastanza grandi e crescono dalla parete verso l'interno. Quando una massa si raffredda in generale diminuisce il suo volume specifico e man mano che il metallo si solidifica, il livello complessivo si abbassa progressivamente e si forma una cavità al centro che si chiama cono di ritiro. Se lo spessore della massa metallica è grande, al centro la velocità di raffreddamento si abbassa e il calore, che fluisce in tutte le direzioni, favorisce la formazione di cristalli equiassici con la differenza rispetto ai precedenti che questi avranno dimensioni molto maggiori, proprio perché la temperatura si abbassa molto lentamente.

Situazione dell'eutettico: sappiamo che l'eutettico si comporta principalmente come un metallo puro: la modalità di solidificazione è

essenzialmente la stessa. Diciamo anche che quando abbiamo a che fare con una struttura eutettica normalmente i grani che si formano hanno forma lamellare; in qualche caso si aggiungono delle sostanze che favoriscono la formazione (nucleazione) di grani sotto forma globulare, perché danno prestazioni meccaniche superiori. Situazione di soluzioni solide: al contrario dei metalli puri e degli eutettici, solidificano all'interno di un range, tra la curva del liquidus e quella del solidus. Il flusso di calore è sempre radiale, ma il cristallo che si forma non è più colonnare ma dendritico, nel senso che c'è un tronco principale dal quale poi si dipartono delle ramificazioni che danno nome a questo tipo di struttura. Le dendriti che si formano inizialmente sono molto sottili e deboli, per cui in alcuni casi vengono anche rotti. Perché conviene rompere le dendriti? Perché avremmo a che fare con cristalli più piccoli e quindicon migliori prestazioni meccaniche. Anche qui abbiamo comunque piccoli cristalli equiassici dovuti al brusco raffreddamento, questo aspetto non è cambiato. Le dendriti, quando si formano, crescono verso l'interno lasciando dei vuoti, richiamando così del liquido verso la periferia che va ad occupare gli spazi vuoti. Ad un certo punto le dendriti saranno così intrecciate e così fitte che il liquido non riuscirà più ad occupare tutti gli spazi vuoti, per cui si formano delle microporosità che non sono dovute al gas in questo caso. Queste porosità sono differenti da quelle formate dai gas e hanno forme frastagliate e irregolari per cui l'effetto di concentrazione di tensioni è notevolmente maggiore. Queste porosità, se ben definite, sono molto più dannose rispetto quelle dei gas, ma non sempre è facile determinare quali sono quelle dovute all'una o all'altra causa. Un'altra cosada sottolineare è che se abbiamo una massa metallica, il ritiro è noto: occupano un certo volume e a temperatura ambiente lo possiamo calcolare. Per quanto riguarda gli eutettici abbiamo la formazione di microporosità vicino la parete del contenitore e questo vuol dire che il cono di ritiro sarà molto meno accentuato perché parte della riduzione del metallo viene assorbita dalle porosità. Tipologia ed esempi di domande d'esame: - Scrivere i valori approssimati della densità e del modulo di elasticità dell'alluminio specificandone le unità di misura; vale la stessa domanda per un generico acciaio a basso tenore di carbonio. - Nel caso delle plastiche vi avevo detto di non imparare i loro valori, ma può capitare una generica domanda come questa: dire tra quali valori si trova la densità se espressa in grammi/cm^3: 0-1, 1-2, >2. - Quando si dice che due sostanze si bagnano reciprocamente? - Quali sono le principali caratteristiche dei materiali ceramici?

è il comportamento meccanico di un materiale bifasico quando entrambi i materiali so-no duttili e si bagnano?

Solidificazione del fuso

Il modo in cui si contrae il materiale e la quantità di porosità che possiamo trovare in una massa me-tallica li possiamo individuare dai diagrammi di stato con un riferimento a un sistema eutettico co-me quello in figura (a).

Quale sarà l’andamento della porosità e del ritiro nel caso, appunto, in cui facciamo variare lacomposizione da A a B?

Evidentemente se noi partiamo da A, metallo puro, la microporosità non c’è perché si forma in pre-senza di cristalli dendritici e quindi in questo caso si presenta il cono centrale di ritiro. La micropo-rosità aumenta linearmente man mano che ci spostiamo dal 100% di A verso destra, fino a quandoarriviamo alla massima solubilità di B in A. Come si può notare dalla figura (b), la microporosità siriduce fino a quando

Raggiungiamo la composizione eutettica, per poi ripetere la stessa successione degli eventi al contrario fino ad arrivare al 100% di B; è chiaro che il ritiro complessivo varia abbastanza poco e in modo lineare.

Quello che varia in maniera evidente è la dimensione del cono di ritiro e la quantità di microporosità presente nella massa complessiva. Il grafico della precedente figura (c) mostra come le proprietà meccaniche non dipendono solo dalla composizione ma anche dalle fasi che troviamo all'interno della massa: di solito le strutture eutettiche si presentano con strutture lamellari, per cui la duttilità in questo caso ne risente parecchio. Se però riusciamo a provocare la solidificazione della fase secondaria con una struttura globulare anziché lamellare, la duttilità si incrementa notevolmente.

Mentre per quanto riguarda la tensione di snervamento, almeno a compressione, non risente del tipo di struttura, lamellare.

Il testo formattato con tag html sarebbe il seguente:

Un caso particolare che vale la pena di citare è quello in cui un metallo non sia miscibile nemmeno in fase liquida con il metallo base (il soluto non si mescola con il solvente) e da sempre luogo ad una seconda fase. Il piombo è praticamente insolubile in molti metalli. Gli effetti della presenza del piombo sulla massa complessiva dipendono dalla distribuzione. Siccome il piombo è molto tenero, agisce come lubrificante, di conseguenza viene aggiunto intenzionalmente in quegli acciai che si vuole siano facilmente lavorabili alle macchine utensili: quando li lavoriamo, la temperatura aumenta complessivamente per l'attrito e il piombo diventa molto tenero, quasi liquido, di conseguenza abbassa le tensioni dell'interfaccia e la lavorazione diventa più agevole. Però il piombo fa male alla salute e negli acciai, ormai esiste una normativa europea, non si può più aggiungere: si cercano allora sostanze alternative che

abbiamo lo stesso comportamento, solo che costano molto di più. È chiaro che il piombo, a causa della sua bassa temperatura di fusione, provoca fragilità a caldo, soprattutto se si concentra nei bordi dei grani, provocando il distacco da un grano all'altro già a temperature modeste. Di conseguenza, la resistenza meccanica degli acciai che lo contengono al di sopra della temperatura ambiente è molto bassa. VARIAZIONI DI COMPOSIZIONE Microsegregazioni Sono delle variazioni di composizione che si manifestano all'interno dei singoli grani cristallini. All'inizio della solidificazione, le fasi più ricche del metallo ad alto punto di fusione formano il nucleo dei grani e mano a mano che ci avviciniamo al bordo, aumenta la percentuale del metallo a basso punto di fusione. Questo può portare a fragilità a caldo e il comportamento ad alta temperatura in generale è scadente. Passiamo ora a considerare variazioni di composizione che si verificano.non all'interno del grano ma nella massa complessiva del metallo. Per distinguere queste situazioni dalle microsegregazioni, le chiameremo macrosegregazioni. Macrosegregazioni Sono variazioni di composizione considerate su una scala maggiore. Esistono, come mostrano le figure, tre tipi di macrosegregazione: a) Il primo tipo, la cosiddetta macrosegregazione normale, è quella che si ha soprattutto nel caso di metalli puri o di composizione eutettica perciò grani colonnari. Succede che le fasi secondarie presenti, se sono formate da metalli con temperatura di fusione più bassa rispetto al metallo principale, tendono progressivamente a portarsi verso il centro e di conseguenza la composizione complessiva non sarà uniforme. Avremo un andamento di questo tipo: al bordo c'è un forte raffreddamento istantaneo, l'elemento bassofondente avrà maggior concentrazione in periferia e quello alto fondente tenderà a concentrarsi alrova una redistribuzione dei soluti all'interno del liquido residuo, che porta alla formazione di zone ricche di soluti vicino ai dendriti anziché nelle zone interdendritiche. Questo fenomeno è dovuto alla diversa velocità di crescita dei dendriti e alla loro interazione con il liquido circostante. Le macrosegregazioni inverse possono influenzare le proprietà meccaniche e chimiche del materiale solido risultante dalla solidificazione.