Tecnologia Meccanica prova di trazione e Fonderia

Tecnologia meccanica: prova di trazione

Allungamento ingegneristico

Allungamento % ingegneristico: la prova è valida quando la rottura avviene nel terzo medio. Durante la prova si tiene costante la velocità. Il volume si conserva in una zona lontana dalla zona elastica. Aumentando la velocità di deformazione aumenta la fragilità e aumenta il carico di rottura.

Lavorazioni a freddo: il materiale incrudisce. Lavorazioni a caldo: il materiale non incrudisce. Tenacità: area sottesa dalla curva sforzo-deformazione.

Fonderia (casting)

Colata

Colata: processo in cui il metallo fuso fluisce per gravità o pressione in uno stampo dove solidifica e prende la forma della cavità del contenitore. Il componente realizzato si chiama grezzo o getto. La forma può essere transitoria (si deve rompere) o permanente (si deve aprire).

Siviera: recipiente di lamiera a forma di secchio, rivestito internamente di materiale refrattario, destinato ad accogliere il metallo fuso dal forno e a trasportarlo e versarlo nelle forme.

L'energia termica richiesta per riscaldare il metallo a una temperatura di fusione sufficiente è la somma dei seguenti termini:

• Il calore necessario ad aumentare la temperatura fino al punto di fusione.
• Il calore latente di fusione per convertire il metallo da solido a liquido.
• Il calore per aumentare la temperatura del metallo fuso affinché possa essere versato.

È possibile produrre forme complesse esterne o interne, anche con fori grazie alle anime, componenti che rappresentano il modello dei volumi interni del pezzo. Sono composte da sabbia e vengono modellate nella cassa d’anima.

I prodotti possono essere:

• Net shape: prodotti che non necessitano di lavorazioni.
• Near net shape: il prodotto necessita di poche lavorazioni.
• Pezzi di grande dimensione.
• Qualsiasi metallo.
• Produzione di massa (dischi freno).

Considerazioni sulla fusione

Fondere la ghisa in forma permanente è quasi impossibile perché ci sono pochi metalli con temperatura di fusione molto maggiore di quella della ghisa e durano poco, anche economicamente non conviene. Le pareti sottili vengono realizzate tramite fusione sotto pressione.

Bisogna avere una velocità di raffreddamento elevata per:

• Ridurre disuniformità microstrutturale.
• Garantire grana fine (quindi buone proprietà meccaniche).

Questa si ottiene tramite spessori del getto ridotti e con l’utilizzo di una forma metallica. Si deve sviluppare una struttura dendritica, una struttura ad albero che si forma a causa della rapida crescita del cristallo lungo direzioni energeticamente favorevoli (dovuta alla presenza di un intervallo di solidificazione).

Problemi comuni

• Microsegregazione
• Anisotropia
• Porosità interdendritica: a causa di microporosità dovute a errori di alimentazione.

Tempo di solidificazione

Tempo di solidificazione: \( t = \text{TSC} \times (M)^n \) in cui:

• M: modulo termico.
• t: tempo totale di solidificazione.
• TSC: costante che dipende dalle condizioni di colata.
• m: materiale.
• Proprietà termiche del metallo.
• Temperatura di colata.
• n: esponente sperimentale adimensionale.

Ritiro volumetrico e lineare

Ritiro volumetrico %: \( \Delta V / V \) Ritiro lineare %: \( \Delta L / L \)

Diagramma di Caine

Diagramma di Caine: \( \geq + - \) dove Mp è il modulo della parte cui è collegata la materozza e Vp è il volume della parte del getto alimentata dalla materozza. Sperimentalmente è stata ricavata la curva che divide il piano in zone dove i pezzi sono rispettivamente “buoni” e “non buoni”. Operativamente si sceglie un punto (X₀, Y₀) nella zona dei pezzi buoni e si ricava il sistema.

Coefficiente di contrazione

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. Rappresenta il ritiro volumetrico. Quantità di metallo minimi dell materozza.

Velocità di raffreddamento relativa

Velocità di raffreddamento relativa c: se materozza e getto solidificano con la stessa velocità di raffreddamento (hanno stesso modulo termico e sono a contatto con la stessa terra) e x tende a c, il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto tende all’infinito. Rappresenta le condizioni di scambio termico relativo. c=1 se le condizioni di scambio termico sono le stesse.

Diagramma per materozze cilindriche

Se chiamo δ=H/D il rapporto di forma (coefficiente di snellezza) allora \( \delta = H / D \). È un diagramma che permette di individuare una curva sul diagramma per una determinata materozza.

Nel caso in cui vi sia lo sviluppo di dendriti colonnari occorre evitare la formazione di microporosità dovute al ritiro di piccoli volumi isolati dalle dendriti. Una volta deciso dove posizionare le materozze bisogna ricordare che queste hanno un raggio d’azione finito. Al di là di una certa distanza non hanno più effetto di alimentazione.

Ritiro in fase solida

Il ritiro in fase solida genera anche delle tensioni termiche, dovute alla differenza di temperatura tra le parti durante il raffreddamento. I corpi con geometrie differenti in genere si raffreddano con velocità differenti quindi con contrazioni istantanee differenti. I pezzi massicci hanno tensioni termiche per natura. Le tensioni termiche di ritiro ci sono se le tensioni superano R_sn ma non R_m. Le parti in trazione raffreddamento sono in compressione a temperatura ambiente perché lo stato tensionale si inverte.

Esempio

La velocità di raffreddamento è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura divisa per i moduli termici. Solidificano prima i corpi con modulo termico minore. Possono verificarsi quindi 3 casi:

• La sollecitazione nei corpi rimane in campo elastico: non ci sono problemi.
• La sollecitazione in uno dei corpi o di entrambi entra in campo plastico.
• La sollecitazione in uno dei due corpi supera il limite di rottura: si ha una rottura di schianto.

La soluzione a questo fenomeno è un trattamento termico di distensione. Le tensioni termiche di ritiro ci sono sempre quando il pezzo subisce delle variazioni di temperatura molto elevate, non solo in fonderia. È necessario quindi non avere parti massicce vicino a parti sottili ma una variazione lenta di spessori per distribuire meglio le sollecitazioni.

Criticità

Criticità delle proprietà meccaniche dei getti:

• Alti gradienti di temperatura → grani piccoli → buone proprietà meccaniche.
• Tensioni termiche: nascono durante il raffreddamento allo stato solido. Sono tensioni dovute a ΔT tra zone contigue del pezzo (ritiro).
• Se tensioni termiche di ritiro > Rm → rottura del pezzo.
• Se tensioni termiche di ritiro > Rsn → tensioni termiche residue nel pezzo.
• Scarsa precisione e scarsa finitura superficiale: migliori comunque per stampi permanenti.

Colata in forma transitoria

La colata in terra/sabbia consiste nel versare il metallo fuso in una forma di terra/sabbia, nel lasciar solidificare il metallo per poi rompere la forma e rimuovere il grezzo. Quasi tutte le leghe metalliche possono essere colate in terra, compresi i metalli con alte temperature di fusione, come acciaio, nichel e titanio. La versatilità di questo processo permette la realizzazione di grezzi di varie dimensioni, da piccoli a molto grandi, e con quantità per lotto di produzione variabile dal pezzo singolo a milioni di pezzi. Le forme sono realizzate in un materiale composto da sabbia silicea (refrattario) e un legante. Lo stampo serve per produrre la forma. In forma transitoria se uso uno stampo in metallo la differenza tra le temperature di fusione dei materiali deve essere elevata e comunque la velocità di usura dello stampo deve essere considerata.