tecnologie meccaniche - fonderia, Dispense di Tecnologie Meccaniche

Scarica tecnologie meccaniche - fonderia e più Dispense in PDF di Tecnologie Meccaniche solo su Docsity! Fonderia Tecnologia Meccanica 1 Ottenimento di un componente nella sua forma ‘finale’ attraverso la colata di metallo liquido in un ‘adeguato’ contenitore: • lingotti • colata continua • in forma - transitoria - permanente Fonderia Tecnica molto antica, risale a 4000 anni a.C.. e ancor oggi è basata in gran parte sull'esperienza. Nel settore industriale la fonderia riveste una notevole importanza per la produzione di semilavorati destinati a successive lavorazioni (lingotti, billette ecc.) o a successivi processi fusori (pani di fonderia). Inoltre la fonderia permette di realizzare oggetti finiti con forme molto prossime a quelle di utilizzo (forme molto complesse con cavità interne non realizzabili per asportazione di truciolo) in modo più economico. Tecnologia Meccanica Colabilita’ riempire completamente la forma (fluidità / colabilità / scorrevolezza) 2 Attitudine dei materiali alla fabbricazione per fusione: Fusibilita’ • fondere a temperature relativamente basse (MAX 1500-1600 °C) • mantenere una sufficiente omogeneità • fornire getti esenti da difetti • buon potere solvente dei gas allo stato solido per evitare soffiature Influenza la tecnologia scelta, i parametri, il materiale e le caratteristiche della forma, la velocità di colata, etc Fonderia conicità inversa Fonderia sistema di colata - diretto - in sorgente - con bacino intermedio 5 conicità diretta Tecnologia Meccanica siviera paniera lingottiera Lingotti Blocchi di metallo destinati a successive lavorazioni per deformazione plastica 1-2° h=3-7 b 150 - 800 b Lingotti Raffreddamento/solidificazione Estrazione dalla lingottiera Riscaldamento Sgrossatura Semifinitura Finitura Vendita Tecnologia Meccanica La “vita” di un lingotto Colata Fonderia 6 Ai QUE Dipartimento di Economia e Impresa Tecnologia Meccanica Siviera n Fonderia 7 Fonderia Tecnologia Meccanica Riscaldamento Forno a spinta Pressa idraulica 10 Sgrossatura Ai in Dipartimento di Economia e Impresa Tecnologia Meccanica Semifinitura Laminatoio a i a caldo Laminazione n Fonderia 11 Fonderia Tecnologia Meccanica 12 Finitura Laminazione a freddo Asportazione di truciolo tolleranze (ritiro, deformazioni) finiture (picchi e valli) qualità del prodotto (ossidazione) tolleranze finiture versatilità Ai in Dipartimento di Economia e Impresa Tecnologia Meccanica Forno elettrico Colata continua Piattaforma a 20m dal suolo Olio a] Acqua di ) raffreddamento Ricevitore a raggi X Trasmettitore a raggi (controlla la velocità di colata) Metallo fuso Metallo solido . Nastro superiore Traferro (acciaio al carbonio) Getti d’acqua Pozzetto Paniera ad elevata velocità di raccolta Rulli di rinvio Puleggia id in trazione Rulli di presa Rulli di presa sincronizzati Taglio ; Nastri di inferiore. Canaline alla fiamma contenimento di scolo laterale (a) (b) Fonderia | 15 Falsa bramma paniera lingottiera mobile rulli estrattori Colata continua metallo liquido metallo solido sistema di taglio della barra Lingottiera: sistema di raffreddamento andamento della solidificazione Fonderia Tecnologia Meccanica Ottenimento di semilavorati destinati a successive lavorazioni per deformazione plastica in alcuni casi anche prodotti finiti Ottimizzazione della produzione: + produttività qualità dei prodotti - costi di impianti 14 Fonderia 16 CLASSIFICAZIONE DEI PROCESSI DI FONDERIA I processi possono essere classificati: • in base alle forme (transitorie o permanenti); • in base ai materiali che costituiscono le forme (in terra o in conchiglia); • in base al materiale del modello: legno o metallo (permanente), cera o polistirolo (a perdere); • in base all'eventualità di far avvenire la colata sotto pressione Scelta processo in base a: • dimensione e materiale componente; • volume di produzione (in transitorio per pezzi unici come campane); • complessità geometrica; • proprietà meccaniche richieste (migliori in forma permanente); • finitura superficiale (meglio in conchiglia a parte bave); • tolleranze dimensionali; • costo (più oneroso in conchiglia). paniera lingottiera mobile rulli estrattori Colata continua metallo liquido metallo solido sistema di taglio della barra Lingottiera: sistema di raffreddamento andamento della solidificazione Fonderia Tecnologia Meccanica Ottenimento di semilavorati destinati a successive lavorazioni per deformazione plastica in alcuni casi anche prodotti finiti Ottimizzazione della produzione: + produttività qualità dei prodotti - costi di impianti 14 Fonderia 17 FONDERIA IN FORME TRANSITORIE E PERMANENTI Le forme contenenti le cavità entro cui viene versato il metallo fuso costituiscono l'elemento più importante nella fonderia. Le cavità devono essere sovradimensionate per tener conto del ritiro in raffreddamento. Le forme transitorie (in terra) sono a perdere, consentono di realizzare forme molto complesse perché non mi interessa l'estr zione. Le forme permanenti sono più costose, usate per produzione seriale, realizzate alle macchine utensili con materiali metallici o refrattari resistenti alle alte T. Le forme possono essere aperte (realizzazione di lingotti da fonderia dove ho una base ed una lingottiera, immetto la fase liquida dall'alto) o chiuse (immetto da canali opportunamente dimensionati). paniera lingottiera mobile rulli estrattori Colata continua metallo liquido metallo solido sistema di taglio della barra Lingottiera: sistema di raffreddamento andamento della solidificazione Fonderia Tecnologia Meccanica Ottenimento di semilavorati destinati a successive lavorazioni per deformazione plastica in alcuni casi anche prodotti finiti Ottimizzazione della produzione: + produttività qualità dei prodotti - costi di impianti 14 Fonderia 20 COLATA • la T di colata (è quella di spillamento, definisce la quantità di calore che deve essere rimossa dal fuso prima che inizi la solidificazione e determina la viscosità della corrente di metallo liquido); • la velocità di colata ; • la turbolenza della fase liquida (valutabile attraverso e considerando un moto laminare sotto 2000 e severe turbolenze oltre 20000; in fonderia ho in gen re un regime misto. In caso di moto turbolento c'è rischio di erosione della forma se in forma transitoria o formazione di bolle di gas e di scoria superficiale da ossidazione). Si riuscirà ad ottenere un getto tanto più esente da difetti quanto più l'immissione del fuso nella cavità avverrà secondo un meccanismo corretto e ordinato, ev ando turbolenze ed eventuali trascinamenti di terra entro la forma. µ ρvdRe = paniera lingottiera mobile rulli estrattori Colata continua metallo liquido metallo solido sistema di taglio della barra Lingottiera: sistema di raffreddamento andamento della solidificazione Fonderia Tecnologia Meccanica Ottenimento di semilavorati destinati a successive lavorazioni per deformazione plastica in alcuni casi anche prodotti finiti Ottimizzazione della produzione: + produttività qualità dei prodotti - costi di impianti 14 Fonderia 21 Per poter realizzare mediante colata le geometrie desiderate, un materiale deve possedere appropriate caratteristiche di fluidità e colabilità: Si definisce la fluidità come la capacità del metallo fuso di muoversi entro la cavità favorendone il riempimento. Le caratteristiche fluidiche della fase liquida variano nel tempo e da punto a punto durante la colata ed è un parametro influenzato dal surriscaldamento (aumenta la fluidità e si abbassa la viscosità) e dalla T della forma (nelle forme in terra refrattarie) il metallo si raffredda lentamente mentre, se ho una forma in metallo la fluidità dimi uisce per la maggiore velocità del raffreddamento e il grano è più fine. paniera lingottiera mobile rulli estrattori Colata continua metallo liquido metallo solido sistema di taglio della barra Lingottiera: sistema di raffreddamento andamento della solidificazione Fonderia Tecnologia Meccanica Ottenimento di semilavorati destinati a successive lavorazioni per deformazione plastica in alcuni casi anche prodotti finiti Ottimizzazione della produzione: + produttività qualità dei prodotti - costi di impianti 14 Fonderia 22 Il concetto di colabilità incorpora, oltre al concetto tecnologico di fluidità, altri aspetti che definiscono la facilità di produzione di un getto nelle condizioni tipiche di fonderia (limitato ritiro, no cricche a caldo ...). In questo modo un materiale è considerato altamente colabile non solo quando ha elevata fluidità, ma anche quando è relativamente insensibile alle variazioni accidentali delle condizioni di processo, più tollerante nei riguardi del progetto del sistema di alimentazione, meno sensibile alle variazioni di spessore e, in generale, quando produce getti di qualità accettabile senza richiedere particolari abilità. Per essere altamente colabile è necessaria una bassa T di fusione, bassa solubilità dei gas nel fuso, minima attività chimica del fuso, limitata reattività con il materiale della forma, bassa viscosità, elevata fluidità e bassa tensione superficiale. La progettazione del sistema di alimentazione deve evitare brusche variazioni di direzione del fuso e brusche variazioni di sezione dei canali; inoltre deve prevedere opportuni bacini di colata con dispositivi fermascorie o filtri in ceramica o fibre di vetro da posizionare opportunamente lungo il percorso del metallo liquido. Fonderia Tecnologia Meccanica 25 T P PROBABILITA' DI DISTRUZIONE DEI GERMI VELOCITA' DI FORMAZIONE DEI GERMI T SOTTORAFREDDAMENTO VELOCITÀ DI ACCRESCIMENTO DEI GERMI SOLIDIFICATI T SOTTORAFFREDAMENTO Tf TEMPERATURA PROBABILITA' DI FORMAZIONE DEI GERMI Nucleazione e crescita dei grani Fonderia Tecnologia Meccanica 26 Metalli puri Leghe t t T Ts T Tis Tfs Solidificazione Solidificazione: caso ideale (termodinamica e cinetica) Fonderia Tecnologia Meccanica 27 Metalli puri Leghe t t T Ts T Tis Tfs Solidificazione Solidificazione: caso ideale (termodinamica e cinetica) caso reale (termodinamica) Fonderia 30 solido Tecnologia Meccanica liquido t = t1 (alta differenza di temperatura) - grosso sottoraffreddamento - molti grani piccoli - buone caratteristiche meccaniche Fonderia 31 Tecnologia Meccanica liquido solido t = t2 (media differenza di temperatura) - distacco di getto dalla forma - strato di aria interposto (bassa conducibilità) -velocità di raffreddamento piccola con direzione preferenziale disottrazione del calore - grani allungati, anisotropia, segregazione Fonderia Tecnologia Meccanica 32 t = t3 (basse differenze di temperature) - bassa conducibilità senza particolare direzione di sottrazione del calore - grani grossi, - equiorientati Fonderia Tecnologia Meccanica 35 Solidificazione : leghe dendriti dovute a -- diverse temperature di solidificazione dei componenti -- direzione preferenziale di asportazione di calore -- velocità di raffreddamento problemi -- -- -- -- porosità interdendritica disomogeneità anisotropia inneschi a frattura trattamenti termici -- ricottura -- normalizzazione Tecnologia Meccanica Fonderia 36 Insieme ai nuclei dovuti al sottoraffreddamento, nella massa liquida centrale si originano nuclei derivanti da impurezze e soluto respinti dal materiale durante la solidificazione colonnare. La fase liquida centrale è quindi più ricca di elementi a più basso punto di fusione (segregazione) che permettono la formazione di nuovi nuclei di solidificazione: tale fenomeno equivale, di fatto, a un ulteriore sottoraffreddamento, ed è pertanto definito sottoraffreddamento composizionale poiché coinvolge una variazione della composizione del liquido. Nella solidificazione di leghe, gli stadi iniziali sono simili a quelli per il metallo puro, mentre si evidenziano significative differenze nella zona centrale. Durante la crescita colonnare, il liquido sottoraffreddato composizionalmente permette ai nuclei una crescita rapida anche secondo direzioni perpendicolari alla colonna, formando protuberanze, e cioè ramificazioni primarie di lega solida che si sviluppano verso le zone a temperature più elevate. Se l'entità del sottoraffreddamento è limitata le protuberanze sono solo agli argini della superficie del cristallo in crescita; se è rilevante, le protuberanze possono crescere come strutture dendritiche: in istanti successivi, a T minore, si formeranno ramificazioni secondarie perpendicolari alle primarie, ancora ricche di elementi altofondenti ma in misura minore rispetto al ramo primario. Il fuso circostante rimarrà sempre più ricco di elementi bassofondenti e richiederà per la solidificazione T sempre più basse e così via, successivamente si assiste all'ingrossamento dei rami e al riempimento degli spazi tra di essi fino alla completa solidificazione: il metallo che solidifica per ultimo (il più bassofondente) sarà quello compreso tra i rami. Il dendritismo è molto evidente nelle leghe metalliche dove è marcato il fenomeno della segregazione. Le dendriti in solidificazioni in forme transitorie sono in genere più estese rispetto a quelle in forme permanenti. Tale circostanza si verifica poiché durante l'abbassamento della T della massa fusa sino al valore di solidificazione, si verifica un aumento della T della forma tale da non far verificare il sottoraffreddamento. Problemi sono relativi a microsegregazioni per cui non ho la stessa composizione chimica in tutta la lega, anisotropia, porosità interdendritica dovuta al fatto che spesso nella ramificazione non c‘è possibilità al liquido di penetrarvi e rimangono microcavità. Il ritiro, valutabile mediante l'espressione Tecnologia Meccanica Fonderia 37 IL RITIRO La contrazione avviene in tre fasi: • stato liquido : occorre tenerne conto in fase di progetto del getto e del sistema di colata; • stato di solidificazione : causa il cono di ritiro, intervengo con materozze; • stato solido : occorre tenerne conto in fase di progetto (forma maggiorata, tengo costanti gli spessori) per evitare tensioni di ritiro che possono deformare il getto a solidificazione avvenuta. Il ritiro, valutabile mediante l'espressione: 100⋅ − i fi V VV E’ compreso tra l'11 e il 13 % con l'eccezione delle ghise, per le quali è il 3-6 %. Fonderia Tecnologia Meccanica 40 L’elemento a si raffredda più velocemente dell’elemento b e quindi si vorrebbe contrarre maggiormente, ma ciò non e’ possibile e quindi viene sollecitato a trazione per mantenere in ogni istante una lunghezza uguale (congruente) con la parte b Esempio 2 Esempio 1: sfera piena La zona esterna si raffredda più velocemente dell’interno e quindi si vorrebbe contrarre, ma ciò non è possibile e quindi viene sollecitata a trazione per mantenere in ogni istante una lunghezza uguale (congruente) con la parte interna a b giogo A giogo B A Fonderia 41 Esempio 3 L a b a a Z Tecnologia Meccanica Sez. Z Z La quantità di calore smaltita per conduzione è l’abbassamento di temperatura è Q= S (T Tambiente) t (T Tambiente) t Q V 1 V 1 M S (T Tambiente) t = = Fonderia Tecnologia Meccanica 42 la parte A si raffredda molto più velocemente a 4 VA SA a2L 2 2a L = = VB SB = = a b L 2 (a+b) L a b 2 (a+b) M B M A a b = 2 +1 Nel nostro caso: quindi per 2 b 2a M B M A = = b Fonderia Tecnologia Meccanica 45 A t considerando le condizioni al contorno: T Ts B Ta t* All’inizio A ai raffredda più di B Poiché verso la fine del raffreddamento il WT di A è molto piccolo, da un punto in poi (tempo t*) B si raffredda più velocemente, pur avendo modulo maggiore. In quel momento le velocità di raffreddamento sono uguali Alla fine del raffreddamento la due parti devono avere la stessa T Fonderia Tecnologia Meccanica 46 A t considerando le condizioni al contorno: T Ts B Ta t* All’inizio A ai raffredda più di B Poiché verso la fine del raffreddamento il WT di A è molto piccolo, da un punto in poi (tempo t*) B si raffredda più velocemente, pur avendo modulo maggiore. In quel momento le velocità di raffreddamento sono uguali Alla fine del raffreddamento la due parti devono avere la stessa T Fonderia Tecnologia Meccanica 47 A t considerando le condizioni al contorno: T Ts B Ta t* All’inizio A ai raffredda più di B Poiché verso la fine del raffreddamento il WT di A è molto piccolo, da un punto in poi (tempo t*) B si raffredda più velocemente, pur avendo modulo maggiore. In quel momento le velocità di raffreddamento sono uguali Alla fine del raffreddamento la due parti devono avere la stessa T Fonderia Tecnologia Meccanica 50 B A t T Ts Ta t* Y YA t t* YB Le temperature TA e TB vanno secondo curve esponenziali Le tensioni A e B vanno secondo le curve accanto (circa) Fonderia Tecnologia Meccanica 51 ZA = a2 ZB = a b A B ZB 2 ZA b 2a = = A B b a > 2 >1 TB >TA Si ha: Allora: se: ma: si può avere cedimento di A più freddo ma più sollecitato oppure il cedimento di B, più caldo e meno sollecitato Supponiamo che alle temperature rispettive, si superi il carico di snervamento in una barra, ad esempio A (in trazione) si possono avere due casi: A > r r > A > s Rottura del pezzo Tensione residua Fonderia 52 Tecnologia Meccanica nel secondo caso, la lunghezza di A al t* è maggiore del previsto, quindi, aspettandosi ancora un certo T fino alla Ta e quindi un corrispondente l, a Ta la barra A sarà più lunga del previsto. Ciò non è possibile per la presenza dei gioghi e quindi necessariamente A sarà sollecitata a compressione. Per l’equilibrio, corrispondentemente, B sarà sollecitata a trazione. Ovviamente, YA(residua) % YB(residua) t Y Y’’s Y’s YA YB YB(residua) YA(residua) Il limite di snervamento cresce al decrescere della temperatura Tecnologia Meccanica 26 Fonderia Materozze: Nel caso della produzione di getti in forme chiuse, il sistema di colata viene progettato in modo tale che venga assicurato l'afflusso di altro metallo liquido per compensare la diminuzione di volume al raffreddamento, predisponendo opportune riserve di metallo fuso chiamate materozze o alimentatori e operando, in ogni caso, in modo da evitare che del metallo fuso rimanga completamente racchiuso da metallo già solidificato. In linea di principio esse sono serbatoi di fuso che, nel corso del raffreddamento continuano a fornire il metallo fuso che viene a mancare per la contrazione volumetrica in fase liquida e assicurano lo spostamento del cono di ritiro al loro interno. Dopo la distaffatura, le materozze vengono rimosse. Affinché svolgano efficacemente le loro funzioni, è necessario che il metallo in esse contenuto solidifichi per ultimo (dunque hanno modulo termico maggiore) e che esse rimangano in comunicazione con il getto fino alla completa solidificazione di quest'ultimo. Le materozze possono essere aperte (si parla di materozze a cielo aperto) o completamente racchiuse nella forma (materozze cieche): La scelta tra materozza a cielo aperto e quella cieca dipende dalla posizione in cui deve essere collocata nella forma. Il posizionamento delle materozze dovrà perturbare l'equilibrio termico e spostare il baricentro termico all'interno di una di esse: sarà lì che si formerà la cavità, rendendo il getto esente da difetti. Tecnologia Meccanica 56 Fonderia DIMENSIONAMENTO: • il modulo termico della materozza è maggiore del 20% rispetto a quello del pezzo con essa a contatto, poiché la formazione del cono di ritiro nella materozza determina un aumento della superficie di scambio termico della materozza, a solidificazione ultimata potrebbe al limite verificarsi che Mm=Mg; • si considerano geometrie cilindriche ed emisferiche (la sfera è la configurazione che risulta sempre a modulo termico maggiore); • il cono di ritiro che si genererà su essa non supera l'80% della sua altezza per essere certi che non interesserà il getto Prima di procedere al dimensionamento vero e proprio è necessario effettuare alcuni passaggi: 1. suddividere il getto in forme semplici e calcolarne i moduli di raffreddamento (scompongo dove ho variazioni significative di geometria e in base alla posizione della materozza perché è importante che i moduli crescano verso essa, suddivido nel modo più conveniente, che consenta cioè un rapido calcolo del modulo termico per ogni area); 2. verificare se la solidificazione avviene in maniera direzionalmente corretta (i moduli termici delle parti adiacenti crescano del 10:30% ca) ed eventualmente apporre modifiche agli spessori; 3. Individuare il numero delle materozze necessarie tenendo conto del raggio di influenza (ogni materozza ha un certo R influenza = Ks. È proporzionale allo spessore medio del getto nella zona di attacco della materozza, in quanto se lo spessore sotto di essa è maggiore, maggiore sarà M e dunque maggiore potrà essere il raggio di influenza della materozza); 4. per ogni zona scegliere il tipo di materozza con modulo termico pari ad almeno 1.2 volte quello dell'area del getto su cui agiscono, controllando che il volume e l'altezza siano sufficienti in funzione del cono di ritiro. Tecnologia Meccanica 57 Fonderia Solidificazione direzionale - Formula empirica di Chorinov per determinare il tempo di solidificazione: n s S VKt      = - Modulo termico n = 2 k = fattore forma= 0.8 - 1      = S VM 2 2 2 2 3 3 2 Fonderia Tecnologia Meccanica 60 Inconvenienti e rimedi 1 Problema di solidificazione Diminuire spessore di 1 Aumentare spessore di 2 Soluzioni: Aggiungere materozza in 1 3 Fonderia Tecnologia Meccanica 61 Metodi per dimensionamento Metodo di Caine (sperimentale) X Y pezzi buoni pezzi non buoni c Diagramma di Caine b Mm M g X = tempo di solidificazione relativo volume relativo Vm Vg Y = Modulo dell’ultima parte a solidificare prima della materozza Volume del getto M g = MaxiMi Metodo basato sull’entità del cono di ritiro { M matterozza= 1,2 M pezzo a contatto 0,2V matterozza= a(V matterozza +V getto) Fonderia Tecnologia Meccanica 62 b = ritiro in fase liquida rappresenta il minimo valore di y quando x ->1 c = costante che dipende dalle condizioni relative di smaltimento di calore fra getto e materozza (=1 se uguali) a = costante sperimentale dipendente dal materiale da colare ( 0.1 ) oppure analiticamente a = 0.1 c =1.0 b =8% b cX aY + − ≥ c bY aX + − ≥ Fonderia Tecnologia Meccanica 65 X =1.25 0.1 X -1 πd 2H 4 πd 2150 4 Y = +0.08 = 0.48 Vm =Y Vg = 3.84 106 = = 3.84 106 d =180.54 1902150 4 π1902 4 πd 2 4 Vm = = 4250000 Sm = + πdH = + 190 150 =117888 Mm =36.08 X =1.26 Y = 0.53>YCaine = 0.46 Prendo d = 190 Oppure: Scelgo: Fonderia Tecnologia Meccanica 66 Meccanismo di solidificazione dendritica Nel caso delle piastre, o in getti con parete sottile, può portare a chiusura del collegamento fra la zona che sta solidificando e la materozza, con conseguente formazione di cavità all’interno del getto Raggio d’azione delle materozze Fonderia Tecnologia Meccanica 67 zona di influenza materozza acciaio ghisa bronzo leghe leggere 3 4 6 5 - - - - 5 5 8 7 s s s s effetto di bordo 2.5 s raffreddatori 50 mm Caso di materozze poste su piastre circolari m medio DD Rmaterozzen + =° max 2π Fonderia Tecnologia Meccanica 70 Raggio d’azione delle materozze Meccanismo di solidificazione dendritica Nel caso delle piastre, o in getti con parete sottile, può portare a chiusura del collegamento fra la zona che sta solidificando e la materozza, con conseguente formazione di cavità all’interno del getto Solidificazione orientata In un getto possiamo generalmente individuare 3 zone: quella dell'estremità che si raffredda velocemente, la zona prossima alla materozza e la zona intermedia; quest’ultima è la zona dove possono formarsi cavità al ritiro. Il fronte di solidificazione avanza parallelamente alle pareti del getto ed è molto probabile (specie se siamo colando una lega e lo spessore del getto è ridotto) che del metallo ancora liquido rimanga racchiuso all'interno del metallo solidificato. Per ottenere un getto esente da difetti è necessario che la zona di influenza dell'estremità, si mantenga in contatto con la zona di influenza della materozza. Si procede o con l'estendere la zona di estremità apponendo raffreddatori, o aumentando il numero delle materozze e inserire sistemi coibenti per il rallentamento del raffreddamento in alcune zone. I raffreddatori possono essere interni o esterni e si usano quando, per specifiche progettuali, non posso modificare spessori o effettuare smussi (ad esempio in geometrie ad L) e consistono in inserti metallici annegati o dentro la forma o dentro il getto (in questo caso è strettamente necessario che il pezzo metallico sia della stessa composizione chimica del fuso, non ossidato e che si fonda completamente per non dar luogo a discontinuità; esso, per fondere, preleva calore dal fuso aumentando la velocità di solidificazione). Anche i raffreddatori manifestano la loro azione su un certo raggio di influenza, occorre dunque scegliere un raffreddatore con raggio di influenza pari alla lunghezza della zona intermedia. Tecnologia Meccanica Progettazione della forma realizzazione della cavità all’interno della forma nella quale verrà colato il metallo liquido transitorio transitoria modello forma permanente forme transitorie - possono essere distrutte dopo la colata - devono permettere l’estrazione del modello forme permanenti - devono essere resistenti e durature - devono permettere estrazione del pezzo Fonderia permanente materiale: terra di fonderia piano di separazione materiale metallico angoli di sformo 71 Fonderia Tecnologia Meccanica 72 Forme: la realizzazione dell'impronta in negativo del getto, entro cui verrà colato il metallo fuso, dovrà essere condotta in accordo con i principi generali della fonderia e alcuni accorgimenti progettuali, necessari per avere un getto integro. Oltre alle impronte dei getti nelle forme, dovranno essere previsti e dimensionati tutti quegli elementi e dispositivi, quali per esempio i canali di colata, le materozze ecc., che consentano a tutti gli stadi del processo fusorio di avvenire in modo da non causare difetti nel prodotto. Nella scelta del metodo di formatura devono essere tenuti in considerazione, oltre alla T del materiale da colare, l'entità dei volumi di produzione, il grado di precisione, le tolleranze dimensionali e i trattamenti termici necessari. Fonderia Tecnologia Meccanica 75 Caratteristiche del materiale della forma (terre) • porosità che garantisca la permeabilità e quindi la fuoriuscita dei gas che si sviluppano all'atto della colata , • coesione ; • cedevolezza o collassabilità della forma sotto l'azione del ritiro, in modo da evitare nel getto la formazione di cricche a caldo, lacerazioni; • refrattarietà; • scorrevolezza , ovvero capacità di riprodurre correttamente la geometria del modello • sgretolabilità ,devono permettere una facile e rapida estrazione e pulitura del getto; • sarebbe ottimale un recupero completo delle terre (ma spesso è difficile il recupero delle sintetiche). Terre= sabbie refrattarie + leganti Silice Zircone Argilla Silicati di sodio Olii e resine Formatura a verde, semi verde, secco Formatura a CO2 Formatura con olii e resine L’acqua ha il compito di fornire all’argilla il potere legante Fonderia Tecnologia Meccanica 76 ● Formatura a verde, a semiverde e a secco: per rendere idonee le terre da fonderia alla formatura sono necessarie una sequenza di operazioni consistenti in triturazioni, separazione in depolveratori, e sistemi magnetici, molazzature, mescolamenti con sabbie vecchie... le lavorazioni possono avvenire a secco o a verde. Quelle a secco forniscono i risultati migliori ma sono le più costose. Le terre da fonderia sono costituite da sabbia silicea e da argille al 5-20% già presenti nelle sabbie naturali mentre in quelle sintetiche vengono aggiunte. Il materiale diventa plasmabile con l'aggiunta di acqua. L'acqua può essere rimossa con essiccazione in stufe a T<350°C (per evitare eccessivo infragilimento forma) in maniera totale (a secco) o attorno alle cavità per ridurre la formazione di difetti puntiformi superficiali derivanti dalla generazione di vapore all'atto della colata (a semiverde). Per migliorare la finitura superficiale del getto, le forme, prima di essere poste nelle stufe di essiccazione, vengono verniciate con il nero di fonderia costituito da una sospensione fluida di polvere di carbone di legna, grafite e argilla refrattaria diluiti in acqua + legante organico. ● Formatura alla CO2: viene utilizzata una miscela composta da sabbia silicea alla quale si aggiunge una soluzione liquida di silicati di sodio. L'indurente è anidride carbonica gassosa che viene insufflata nella miscela. ● Formatura con olii e resine: nel passato molto usato olio di semi di lino non inquinante ma di prestazioni meccaniche inferiori rispetto alle resine fenoliche. Formatura usata anche per anime. Meccanico Chimico Termico Formatura a verde, semi verde, secco Formatura a CO2, processi sabbia cementi Processo shell-molding, microfusione Meccanismi d’indurimento Fonderia Tecnologia Meccanica 77 sabbia nuova essiccazione Lavorazione delle terre terra usata rottura zolle separazione parti metalliche setacciatura separazione delle polveri acqua agglomerante legante organico dosatura molazzatura disintegrazione formatura Molazza terra di formatura 80 anima getto portata d’anima Staffa inferiore requisiti delle anime - maggiore refrattarietà - elevata resistenza meccanica fino al termine della solidificazione - friabilità Fonderia Anime Staffa superiore terra di formatura getto portata d’anima anima Anime: Inflessione e conseguente eccessiva deformazione o rottura Sovra-cottura e conseguente difficoltà di rimozione Tecnologia Meccanica Realizzazione di fori ciechi o passanti per mezzo di occupazione di una parte del getto con materiale di formatura Fonderia Tecnologia Meccanica 81 Sistemi di colata Occorre dimensionare: • sezione canale di colata; • sezione del canale distributore; • sezione dell'attacco di colata. : 1. Si calcola il tempo di riempimento attraverso formule puramente sperimentali: gr Pst 4,6= s= spessore medio del getto espresso in cm Pg= peso del getto espresso in Kg Deve essere inferiore al tempo di degradamento della forma (fornito da tabelle in base alla terra usata) e inferiore al tempo di inizio solidificazione. 2. Si calcola la portata media: r g t V Q = Vg= volume getto Fonderia Tecnologia Meccanica 82 Raggio d’azione delle materozze Meccanismo di solidificazione dendritica Nel caso delle piastre, o in getti con parete sottile, può portare a chiusura del collegamento fra la zona che sta solidificando e la materozza, con conseguente formazione di cavità all’interno del getto Solidificazione orientata hf hi 3. Si calcola la velocità tenendo conto della possibile contropressione egHv 265,0= 4 )( 2fi e hh H + = 4. si dimensionano le staffe in base a tabelle: si decide la forma, si entra con il valore del max ingombro del pezzo considerando anche l'altezza della materozza col suo attacco; 5. Si calcola la sezione del attacchi di colata: 5. a questo punto la determinazione della sezione del canale di colata e del collettore, può essere effettuata tramite tabelle entrando con i valori di Sattacco , o tramite precise proporzioni per sistemi pressurizzati: Scanale :S collettore :S attacco=4: 3: 2 . v QSattacco = Qualora gli attacchi alimentassero più getti, la sezione del singolo attacco è pari : gettin Sattacco ° Per un corretto dimensionamento smv /1≅ Tecnologia Meccanica H p = g h =+ h h1 pz =+ h1 px =+ H 84 battente z y x Fonderia Per un liquido si ha: Peso specifico Spinte metallostatiche Tecnologia Meccanica , z = f (x, y) ˆ N =!+ z, n ds , Nz =!+ z, cos#, ds , Nx =!+ z, sin#, ds , Fonderia superficie di contenimento del liquido Nz Nx #, z x 86 Angolo rispetto alla normale alla superficie z y x ˆ n !! Fonderia Tecnologia Meccanica 87 Esempio 1: parete orizzontale affondata a b h Nz ˆ ˆ ˆ ˆ a b 0 0 , N = z Nz = z z, cos#, ds = = z + h dxdy = z + h a b !+ z y x La spinta corrisponde al volume di terra sopra al getto per la densità del metallo Nz !! Fonderia Tecnologia Meccanica 90 Esempio 1: parete orizzontale affondata a b h Nz ˆ ˆ ˆ ˆ a b 0 0 , N = z Nz = z z, cos#, ds = = z + h dxdy = z + h a b !+ z y x La spinta corrisponde al volume di terra sopra al getto per la densità del metallo Nz Processi in guscio: Shell Molding: si producono elementi da formatura geometricamente riconducibili a corpi vuoti (gusci) ponendo la miscela di sabbia di quarzo fine rotondeggiante e resina termoindurente (4-6%) che avvolge i grani silicei fungendo da legante, a contatto con le pareti di un modello metallico. 1. un modello metallico preriscaldato (220:260 °C) viene bloccato su una scatola contente sabbia e resina; 2. il tutto è rovesciato per 5-10” e la resina indurisce grazie al calore del modello; 3. rovesciamento della scatola: il sovrappiù cade nella scatola e un guscio di sabbia e resina indurita rimane sul modello per uno spessore di 2.5:10 mm; 4. si effettua una cottura finale in formo (350:600 °C) e si distacca il modello; 5. assemblaggio di due gusci supportati con sabbia o graniglia di ghisa. !! Fonderia Tecnologia Meccanica 91 Esempio 1: parete orizzontale affondata a b h Nz ˆ ˆ ˆ ˆ a b 0 0 , N = z Nz = z z, cos#, ds = = z + h dxdy = z + h a b !+ z y x La spinta corrisponde al volume di terra sopra al getto per la densità del metallo Nz Il processo che contempla l'uso di resine sintetiche che induriscono a caldo si dice hot box, la variante è il cold box in cui si usano resine che polimerizzano a Tamb. Caratteristiche di scelta per shell molding: ◦ peso max getti circa 30 kg; ◦ Ra circa 2.5-3 μm e buona tolleranza dimensionale; ◦ buona permeabilità forma; ◦ buona produttività; ◦ elevato costo e no rigenerazione resine termoindurenti MICROFUSIONE: si tratta dell'antica tecnica “a cera persa”. Prevede l'utilizzo di modelli a perdere. Oggi impiegata anche nell'industria aeronautica per la realizzazione di parti di precisione, sostituendosi alla fabbricazione alle macchine utensili. I modelli si ottengono iniettando cere in una forma cava primaria, preventivamente ottenuta per lavorazione meccanica, successivamente, i canali e gli attacchi di colata vengono montati mediante hot melts. Esistono due ipi di pr cesso: A. Tecnica del rivestimento dal solido ( solid investment ) B. Formatura con guscio ceramico ( ceramic shell molding process ) !! Fonderia Tecnologia Meccanica 92 Esempio 1: parete orizzontale affondata a b h Nz ˆ ˆ ˆ ˆ a b 0 0 , N = z Nz = z z, cos#, ds = = z + h dxdy = z + h a b !+ z y x La spinta corrisponde al volume di terra sopra al getto per la densità del metallo Nz A. tecnica del rivestimento dal solido ( solid investment ) : ▪ il grappolo con i vari pezzi viene prerivestito con sospensione refrattaria e insabbiato; ▪ il grappolo prerivestito viene immesso in un contenitore vibrante con palta (finissima sabbia silicea con acqua e leganti); ▪ il contenitore è portato a 100°C per far sciogliere la cera; ▪ cottura in forno a 700:1000 °C per eliminare elementi che potrebbero formare gas e per conferire opportuna resistenza meccanica alla forma. Fonderia Tecnologia Meccanica 95 Investment casting Caratteristiche di scelta: • forma in unica staffa; • no bave; • no anime; • no angoli di spoglia né sottosquadri; • riciclo totale sabbia; • costi contenuti; • automatizzabilile; • possibilità di realizzare forme complesse: parti stampate unite mediante incollaggio per formare il complessivo. Problematiche: • porosità e soffiature (il problema del gas è nella prima zona di contatto dunque si può fare il pezzo più lungo e poi tagliare); • finitura superficiale modesta; • contropressione che ostacola il riempimento della cavità dovuta a gas idrocarburo volatile per reazioni di depolimerizzazione (si fanno cavità per far accelerare il metallo); • impatto ambientale per sviluppo di gas. Fonderia Tecnologia Meccanica 96 Investment casting Forme permanenti Tecnica nata con l'obiettivo tecnologico della messa a punto di una forma a basso costo che sia riutilizzabile per migliaia di colate. Caratteristiche di scelta per processi in conchiglia: ◦ processo automatizzato; ◦ pezzi di buona qualità (tempi di raffreddamento brevi dunque grana fine): migliore precisione e finitura superficiale rispetto alle forme in terra; ◦ risparmio, rispetto alla forma in terra, sia per quanto riguarda i tempi sia i costi (per lotti elevati); ◦ per grandi serie (dai 5000 getti in leghe ferrose ai 25000 in lega di zinco); ◦ getti di peso max di 20-25 kg; ◦ getti di materiale con punti di fusione inferiori a quelli dell'acciaio (leghe di alluminio, magnesio, rame, zinco, ghise) e con buona fluidità; ◦ i vantaggi diminuiscono quando ci sono molte anime e molti sottosquadri perché aumenterebbe troppo il tempo per il montaggio e lo smontaggio. Conchiglie: sono realizzate materiale con T di fusione elevata e elevata resistenza meccanica per non deformarsi nel corso dell'uso ripetuto, elevata resistenza alla fatica termica, infine, idealmente, deve essere tale da impedire l'adesione al fuso. Si realizzano in ghisa grigia o acciai legati (elementi di lega >5%) ad elevato contenuto di carburi per resistenza alle alte T. Recentemente si realizzano in leghe refrattarie di molibdeno TZM e in grafite per colare semplici getti di acciaio (geometrie semplici per difficoltà di lavorazione della grafite). Fonderia Tecnologia Meccanica 97 Investment casting Vengono inoltre impiegati robot programmabili per stendere uniformemente la vernice protettiva (per limitare usura forme e per il controllo dei profili termici (controllo del cambiamento del colore delle vernici: posso vedere quali sono le zone che raffredderanno lentamente originando grani più grossi e con peggiori proprietà meccaniche)) e gli elementi (grafite, silicone, pellicole) per facilitare il distacco, migliorare lo scorrimento del materiale e migliorare la finitura superficiale. Il getto deve essere estraibile e a tale scopo si costruiscono conchiglie divisibili in più parti o si usano parti mobili rispetto al semistampo interessato per risolvere sottosquadri. I vincoli di estraibilità del getto nella fonderia in conchiglia impongono un numero più limitato di geometrie producibili rispetto a quella in terra, sebbene siano accettabili grandi complessità quando la forma è realizzabile unendo più parti tra loro. Sono necessari canali di sfogo per l'evacuazione di gas ed evitare soffiature. È necessario che il getto possa avere una contrazione libera senza essere ostacolato dalla forma per evitare tensioni di ritiro. Metodi e tecniche di colata A seconda delle condizioni con cui avviene la colata si parla di: - colata per gravità; - colata in pressione; - colata centrifuga; - fonderia con controllo della solidificazione.