Tecnologia meccanica - pag. 91-107

Osservazione: Fatica meccanica e fatica termomeccanica

Si parla di fatica meccanica quando un organo meccanico viene sollecitato a sforzi variabili: per esempio la testata dei motori a combustione interna deve sopportare sforzi di compressione ed espansione repentini e questa alternanza di alta e bassa pressione è un ciclo meccanico che induce, a lungo andare, fatica meccanica sull'organo in considerazione.

Però non c'è solo l'aspetto meccanico: quando aumenta la pressione, aumenta anche la temperatura. A questo punto non si parla più solamente di fatica meccanica, ma fatica termomeccanica. Quando noi versiamo il metallo fuso, lo stampo sarà soggetto ad una pressione bassa, se usiamo la gravità per riempirlo; se invece applichiamo una sovra pressione elevata, abbiamo fatica termica e meccanica. Un'altra caratteristica importante è che il materiale dello stampo deve essere tale da non aderire al metallo fuso che versiamo: non ci devono essere.

saldature tra i due metalli. Perciò vedete che le esigenze sul materiale dello stampo sono parecchie e questo ci vincola anche nella varietà di leghe che possiamo fondere all'interno di stampi permanenti. Ad esempio, se uso uno stampo in acciaio, non potrò fonderci della ghisa all'interno perché la differenza tra le due temperature di fusione non è molta, per cui andremo a indebolire molto velocemente il materiale dello stampo. In generale gli stampi permanenti li possiamo usare solo con leghe con temperatura di fusione abbastanza bassa. Quali sono le principali leghe trattabili con queste tecniche? Le principali sono quelle di zinco (Zn), magnesio (Mg) e alluminio (Al); in qualche situazione si può andare anche oltre, come per esempio con gli ottoni e in qualche caso anche con le ghise. In questi ultimi casi gli stampi devono essere rivestiti internamente di materiali, come i carburi, che siano in grado di sopportare temperature epressioni elevate. Anche quando gli stampi non siano rivestiti internamente di carburi, quando si usano queste tecni-che di colata, spruzziamo sempre dei rivestimenti. Tenete presente che nei processi di fonderia co-me questi, all'interno degli stampi si instaurano dei gradienti di temperatura altissimi, per cui spruz-zando qualcosa sulla superficie dello stampo (e in effetti è quello che si fa ogni volta che si estraeun getto) la temperatura cala moltissimo anche se c'è solo uno strato di 1 mm di sostanza. In questomodo preserviamo le caratteristiche dello stampo. Perché si spruzzano queste sostanze? Per consentire un abbassamento di temperatura sullo stampo, ma anche per altre funzioni: in qual-che misura si vorrebbe che queste sostanze fungessero da lubrificante (ma non sono molto efficaci),altrimenti si usano anche per favorireil distacco del getto dallo stampo. Abbiamo detto che vogliamo evitaresaldature tra getto e stampo: per esse-re maggiormentesicuri che non si in-staurino, sfruttiamo questo distaccan-te che di solito è a base acquosa, percui l'acqua a contatto con la superfi-cie interna dello stampo vaporizzaimmediatamente asportando moltocalore. Osservazione: Se nello stampo c'è una cavità più o meno profonda, come rappresentato in figura,spruzzando a velocità abbastanza alta questa soluzione a base acquosa, se rimane qual-che frammento di metallo viene soffiato via. Perciò andiamo anche a ripulire le cavitàall'interno dello stampo. Gli stampi per colata permanenti hanno alcune caratteristiche in comune con gli stampi a perdere: - anche se la varietà di geometrie ottenibili con gli stampi permanenti si riduce rispetto al-le colate in stampo a perdere, perché dobbiamo tirare fuori l'oggetto senza rompere lostampo, si riesce a recuperare la possibilità di produrre oggetti cavi usando degli stampidetti semipermanenti.

realizzarli al loro interno vengono messe delle anime in sab-bia.

Un’altra possibilità è utilizzare degli stampi che però sono molto più costosi e hanno dei settori ritraibili: in pratica lo stampo non è più un blocco unico ma ci sono delle parti che possono scorrere su guide e perciò avanzano o tornano indietro. In pratica chiudo i due semistampi, verso il metallo e metto tutti i settori mobili in posizione abbassata apposta per realizzare sottosquadri e altre geometrie. Quando tolgo il getto, devo prima far tornare indietro tutti questi settori mobili, poi posso aprire i due semistampi ed estrarre il getto.

I basamenti dei motori delle automobili negli ultimi tempi sono fatti in lega di alluminio, che fonde a circa 560°C. Ma durante la fase di combustione si raggiungono temperature dell’ordine dei 900°C, quindi come può essere che il basamento non fonda? Bisogna usare un artificio, in sostanza prima di fare la

colata si introducono degli elementi in metallo alto fondenti all'interno dello stampo, come ad esempio un tubo in acciaio (canna). Di conseguenza la parte di basamento che si scalda di più, quella proprio a contatto con la camera di combustione, non è alluminio ma questo tubo in acciaio che è maggiormente in grado di sopportare le alte temperature. Quindi non è la massa che sopporta la temperatura alta, ma solo quegli elementi che abbiamo aggiunto all'interno dello stampo. Altra cosa che deve essere presente negli stampi sono gli sfiati, li abbiamo già trovati nel caso degli stampi di sabbia: servono per far uscire l'aria quando versiamo il metallo. Nel caso della sabbia c'è una certa permeabilità che può essere sfruttata per far fuoriuscire l'aria; invece gli stampi in acciaio hanno scarsa, se non nulla, permeabilità all'aria per cui dobbiamo avere degli sfiati. La loro progettazione.

è un grosso problema per le aziende perché oltre all’aria anche l’alluminio tende ad entrarcipiuttosto facilmente. Infatti se facciamo una colata di alluminio rischiamo che vengano tappati deglisfiati e l’aria non possa più fuoriuscire. Gli sfiati hanno quindi una forma particolare ed inoltre han-no una dimensione tale da permettere il passaggio dell’aria ma non dell’alluminio. Altra caratteristi-ca comune per l’estrazione dell’oggetto è la presenza degli espulsori: delle spine piuttosto lungheche spingono il getto al di fuori dello stampo. L’uso degli espulsori è una caratteristica sempre pre-sente in questo campo. Queste spine spingono un metallo che, anche se solido, è pur sempre ad altatemperatura e quindi non è ancora indurito del tutto. Le spine lasciano dei bollini rotondi91sull’oggetto e in alcune situazioni è opportuno che non siano in vista si trovino nelle zone

interne (omeno in vista) dell'oggetto, principalmente per motivi estetici. Soprattutto nelle tecniche maggiormente automatizzate, come la pressocolata, è fondamentale il controllo del processo: la distribuzione di temperatura sugli stampi, la temperatura della lega che versiamo all'interno e le temperature in generale, perché se la loro distribuzione all'interno degli stampi è sbagliata, possiamo avere cricche e difetti nel prodotto. Per cui ci sono dei criteri di controllo molto accurati sulla tempistica delle operazioni e anche sul controllo della temperatura.

Nel caso delle tecniche di colata con stampo permanente, la classificazione avviene sulla base della pressione con cui spingiamo il metallo nello stampo. Nella versione più semplice lo stampo è alimentato per mezzo della gravità, perciò il metallo fluisce dall'alto al basso con un moto che sicuramente non è regolare. Lo stampo è realizzato

mediante due semistampi, come si può vedere dalla figura a pagina seguente. In questo caso hanno un movimento orizzontale e sono mobili per poter liberare il getto; inoltre c'è un'anima di metallo che si può muovere verticalmente e che realizza la cavità cieca all'interno del prodotto. C'è anche la possibilità di fare uscire l'aria tramite uno sfiato e si vede il fuso che va all'interno dello stampo per produrre la geometria dell'oggetto che vogliamo realizzare. Soprattutto nel caso di colata sotto gravità si possono inserire anime in sabbia, anche se in questo caso è in metallo, per cui si parla di stampi semipermanenti. Quando si estrae il getto prima di inserire altro metallo fuso, si spruzza all'interno dello stampo, con le modalità già citate sopra. Una variante di questa tecnica è la cosiddetta colata a rigetto: si versa metallo fuso all'interno dello stampo.si aspetta qualche secondo e poi si rovescia lo stampo in modo tale che il metallo che è all'interno, ancora fuso, esca. In sostanza con questa tecnica realizziamo un certo spessore di metallo solido ma non riempiamo lo stampo. Otteniamo in questo modo oggetti cavi come candelabri, soprammobili di vario tipo e, una volta, si ottenevano anche i soldatini di piombo. Ecco lo schema riassuntivo di quanto detto finora sulla tecnica con stampo permanente o semipermanente. Un'altra tecnica che sfrutta stampi permanenti è la colata a bassa pressione: in questo schema (vedi figura seguente) abbiamo lo stampo al di sopra del forno di mantenimento e mediante sovrapressione provochiamo la risalita del fuso, esattamente come nel caso visto all'inizio di questa lezione, figura (b), con la differenza che ora lo stampo è permanente e non a perdere. Da notare che lo stampo è in grafite (graphite mold) e per oggetti semplici si possono realizzare anche.compo-nenti in acciaio, infatti quello che viene realizzato in questo caso è una ruota per carrozza ferrovia-ria. La colata in bassa pressione è una tecnica di colata, così come quella in gravità, che consente di ot-tenere oggetti caratterizzati da un basso livello di porosità, perciò l'oggetto ottenuto è di qualità piuttosto buona. Per esempio, per produrre cerchi in lega leggera, si usa la colata in bassa pressione. La tecnica seguente è la pressocolata: è caratterizzata da una produttività più alta ma i cerchi in le-ga leggera non possono essere prodotti con questa tecnica perché, per prodotti che debbano garanti-re un alto tasso di sicurezza, non è considerata affidabile perché la porosità è piuttosto elevata. La presso colata non può essere effettuata sottovuoto; è caratterizzata dal fatto che, come dice la paro-la, noi andiamo a spingere il

metallo nello stampo con una forza che può essere anche molto alta: qui si usano delle vere e proprie presse. Da notare è che per spingere il metallo nella cavità