Dispense di Tecnologia Meccanica - Fonderia PDF

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Riassunto di libro, lezioni e slides del corso di Tecnologia Meccanica (Ingegneria Meccanica 2019/2020) docente Matteo Strano...

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Fonderia La colata è un processo in cui del metallo liquido fluisce attraverso forza di gravità o forze esterne in uno stampo dove solidifica e prende la forma della cavità dello stampo stesso. Si ottiene quindi un grezzo/getto. La forma può essere aperta: il metallo viene colato all’interno fino a riempire la cavità Chiusa: viene realizzato il sistema di colata che è un percorso che permette al metallo fuso di fluire dall’esterno della forma dentro la sua cavità.

La forma può essere permanente, se può essere riutilizzata più volte per produrre pezzi diversi, o temporanea se deve essere distrutta a fine ciclo per estrarre il pezzo e quindi deve essere fabbricata ogni volta una nuova. Fusione e Colata

Bacino di Colata: coppa in cui viene versato il metallo fuso, contiene filtri per evitare l’entrata di scorie nella forma. Canale di Colata: canale verticale, al suo interno il metallo cade per gravità acquisendo velocità. Canale distributore: canale orizzontale che consente al metallo fuso di raggiungere diversi punti della forma. Attacchi di colata: portano il materiale fuso alla/e figura/e.

1. Colata in gravità Applicando la legge di Bernoulli alle due sezioni e ponendo h2=0

v 1=0

trovo che v 2 = √ 2 g h1 dove h1= hgravità

2. Colata in sorgente Stesso ragionamento di prima, solo che ora troverò due velocità diverse, all’inizio della colata sarà v 2 Ti= √ 2 g h 1

mentre una volta riempita la forma, rimarrà solo h1−b v 2 Tf =√ 2 g (h1−b)

facendo una media delle velocità ottengo v m = √ 2 g h sorgente

dove hsorgente

√ ( h −b ) + √ h =

(

1

)

2

1

2

3. Colata in piano r’ = porzione di volume del getto riempito in gravità r’’ = porzione di volume del getto riempito in sorgente v m = √ 2 g h piano

dove

√ h piano= (

1 r

'

+

r ''

√ h gravità √h sorgente

)

N.B. Essendo v 2 > v 1 → A 2< A 1 per la legge di continuità. Quindi il canale di colata deve essere conico. Solidificazione e raffreddamento

Metallo puro  Crosta: zona equiassica. Gradiente termico più alto  grani piccoli e tondeggianti (isotropia)  Zona subito a dx della crosta: zona colonnare. Gradiente termico più basso + direzionalità del gradiente termico = grani lunghi e allungati (anisotropia)  Zona ancora più a destra: zona equiassica a grana grossa. Gradiente termico basso + no direzionalità = grani isotropi ma grossolani Leghe Simili a quelle del metallo puro ma invece della zona colonnare ora avrò la  Zona dendritica: il fronte avanza con delle protusioni di metallo solido nel liquido (dendriti), a forme di spine. Tanto più è ampia la differenza tra temperatura di liquidus e quella di solidus tanto maggiori saranno gli avanzamenti dendritici. Anche questa zona sarà caratterizzata dall’anisotropia. L’accrescimento dendritico è fonte di molti problemi tra cui: - microsegregazione: riesco a distinguere separatamente i due metalli della lega - porosità interdendritica: tra le due dendriti si crea una cavità di ritiro Per limitarlo si usano leghe eutettiche che hanno T liquidus −T solidus ridotto. N.B. Diverse strutture metallurgiche all’interno del pezzo  proprietà meccaniche scarse. La fonderia non riesce a garantire buone proprietà meccaniche per pezzi grandi e massivi. I pezzi prodotti per fonderia che vengono bene sono quelli che: - hanno pareti sottili (es. campana) - alto gradiente termico (velocità di raffreddamento alta)

Il tempo di solidificazione totale della colata è data dalla regola di Chvorinov: T TS =C m • M

n

dove = costante sperimentale (dipende da materiale della forma, proprietà termiche, temperatura colata) Cm

M =modulo termico n=esponente sperimentale(di solito 2)

Il modulo termico di una parte X è pari a: M x=

Volume parte x Superficie scambiante parte x

Assisto a 3 tipi di ritiri: - Fase liquida - Fase di solidificazione - Fase Solida Per l’ultimo devo prevederlo con la formula e dimensionare il pezzo di conseguenza: r L=

LTS − LTA LTS

Per i primi invece uso il sistema delle materozze. Infatti durante il raffreddamento avrò un ritiro di questo tipo: Dimensiono e posiziono le materozze in modo tale che siano queste a solidificare per ultime. Quindi saranno le materozze ad avere queste cavità di ritiro indesiderate  le materozze sono pezzi che vengono collegati alla sezione del getto con maggior modulo termico (cioè la parte più calda del getto) e che servono solo ad assumere loro la cavità di ritiro: dopo la solidificazione finale verranno segate ed eliminate.

Un altro problema del ritiro di questo tipo è la porosità dovuta alla brusca differenza di solubilità dell’idrogeno tra fase liquida e solida. Si risolve la questione usando un processo di degasaggio chimico o agendo in atmosfera prima di gas.

Diagramma di Caine Serve a capire come dimensionare le materozze 

X=

Mm Mp

dove M m = modulo termico parte cui è collegata la materozza 

Y=

Vm Vp

dove V p = volume della parte del getto alimentata dalla materozza 

Y=

a +b X −c

è l’equazione della curva (iperbole) di Caine. Per Y* > Y si avranno pezzi sani, per Y* < Ybpezzi = 0.03, c = 1 nella maggior parte dei casi. Per materozze coibentate c Y Caine per accertarmi che la soluzione sia accettabile X•Mp 6. Dimensiono la materozza tenendo conto che V m=Y • V p e M m=¿

N.B. Devo stare attento anche a dove posizionare la materozza perché esiste un raggio di influenza finito  superata questa distanza la materozza perde efficacia nella sua funzione di alimentazione e il pezzo è a rischio microporosità.

Inoltre alla fine della colata il metallo liquido all’interno della forma esercita una spinta verso l’alto che tende a sollevare la staffa stessa  si posizionano dei pesi opportuni sopra la staffa superiore. Il ritiro in fase solida genere anche un problema di tensioni termiche: corpi con geometrie diverse raffreddano con velocità diverse e quindi con contrazioni istante per istante diverse. La velocità di raffreddamento è infatti proporzionale al modulo termico M. Se ad esempio i due corpi fossero liberi si avrebbero due lunghezze diverse dei singoli corpi. Il problema si annulla raggiunta la temperatura ambiente. Qui Mb > Ma

Nella realtà i due corpi a e b sono vincolati al corpo c e l’equilibrio sarà istante per istante: il corpo a si allungherà di δ L A (sollecitazione di trazione) e il corpo b si accorcerà di δ LB (sollecitazione di compressione) Ci sono 3 casi: - La sollecitazione dei due corpi a e b rimane in campo elastico  nessun problema - La sollecitazione di uno dei due corpi entra in campo plastico Supponiamo che a entri in campo plastico e si allunghi di δ L A , affinché si ripristini l’equilibrio a temperatura ambiente i corpi A sarebbero sollecitati a compressione (-) mentre B a trazione. In generale a temperatura ambiente i corpi che hanno modulo termico minore saranno in compressione. - La sollecitazione di uno dei due corpi supera il limite di rottura Di conseguenza, in fonderia occorre fare attenzione a corpi facenti parte dello stesso pezzo che presentano moduli termici eccessivamente differenti: possono arrivare a rompersi nella fase di raffreddamento. E’ necessario quindi:  non avere parti massicce vicino a parti di spessore sottile

 avere a ae e una variazione lent adegli spessori per distribuir ele sollecitazioni Colata in sabbia Il metallo fuso viene colato in una forma di sabbia, solidifica, la forma viene rotta e il grezzo rimosso.

La colata in sabbia come processo comprende anche la fabbricazione del modello e la realizzazione della forma visto che questa viene distrutta ogni volta. Il modello è una copia a dimensione naturale del pezzo da riprodurre, ingrandita per ridurre: - Ritiro volumetrico in fase solida - Sovrametallo per lavorazioni successive Deve essere facilmente estraibile dalla forma (corretto posizionamento rispetto al piano di divisione delle staffe/modelli componibili e utilizzo di tasselli) e realizzato in un materiale facilmente lavorabile (legno, plastica o metallo). Se i pezzi devono essere cavi si inseriscono delle anime fatte di sabbia nelle cavità dello stampo prima della colata. Se necessario vengono fissate alla forma tramite dei perni di supporto, realizzati in un metallo con T fus più alta di quello del metallo colato. Una volta solidificati vengono inglobati nel pezzo. La sabbia utilizzata è a base di SiO2, deve possedere buone proprietà refrattarie (resistere T elevate). Le proprietà dei grani influenzano quelle della forma: - Dimensione fine = miglior finitura del pezzo - Dimensione grossa = migliore permeabilità - Forma regolare: migliore porosità - Forma irregolare: migliore compattazione Ambiti - tutte le leghe metalliche, anche metalli con T fus elevati (acciaio, nichel e titanio) - realizzazione di pezzi di tutte le dimensioni e quantità per lotto molto variabili

Colata in gesso: simile a quella in sabbia, la forma è fatta di miscela di gesso e acqua versata su un modello di plastica o metallo posto in un contenitore e fatta indurire

Colata in ceramica: forma fatta da materiali ceramici refrattari che sopportano T più alte del gesso  utilizzata per acciai, ghise e altre leghe ad alta T. Vantaggi - miscela di gesso fluida  facile da scorrere intorno al modello per riprodurre i dettagli della superficie - Buona finitura superficiale/accuratezza dimensionale e possibilità di realizzare sezioni sottili Svantaggi - Indurimento stampo di gesso  robustezza diminuisce - Umidità troppo alta  difetti al pezzo durante la colata - Forma non permeabile  non permette uscita di gas dalla cavità - Gesso non sopporta elevate temperature delle forme in sabbia Ambiti: metalli basso punto di fusione (leghe alluminio, magnesio, rame), geometrie complesse.

Colata Shell Molding La forma è un guscio sottile di sabbia legata a resina termoindurente. Vantaggi - migliore scorrimento metallo fluido  superficie più liscia - basse rugosità su parti medio-piccole  nessuna lavorazione dopo Svantaggi - modello in metallo più costoso di quello in sabbia - difficilmente giustificabile per piccoli lotti produzione (ma economico per grandi quantità) Ambiti: grezzi di acciaio dimensioni medio-piccole (ingranaggi)

Colata in Polistirene Espanso

E’ una forma di sabbia pressata attorno a un modello di polistirene espanso che evapora appena il metallo fuso entra nella forma.

Nel modello sono inclusi anche il sistema di colata/canale di alimentazione/anime. Il modello è rivestito di un composto refrattario per migliorare resistenza ad alte T e per fornire una superficie liscia. Vantaggi - no problemi dovuti a estrazione del modello - tempistiche ridotte perché non si deve rimuovere il modello Svantaggi - ogni getto deve avere il suo modello - elevata porosità - ridotte velocità di colata Ambiti: produzioni di massa di componenti di motori per automobili (sistemi automat. Per modelli polistirolo) Microfusione (cera persa) Il modello ad albero è realizzato in cera, viene ricoperto di un materiale refrattario (impasto di silice a grana molto fine). Questo si scioglie prima della colata del metallo fuso (e viene recuperata). I fori (anche piccoli) possono essere realizzati tramite inglobamento di anime al quarzo nel modello di cera.

Vantaggi - Possibile realizzare pezzi complessi e precisi - Buon controllo dimensionale / tolleranze / finitura superficiale - Possibile recuperare cera per nuovi utilizzi - E’ un pezzo near net shape -> no lavoraz. Successive Svantaggi - Processo costoso, con operazioni manuali Ambiti: - Pezzi di piccole dimensioni - Tutti i tipi di metalli possono essere colati in microfusione - Componenti meccanici complessi (componenti motori turbina…)

Colata in conchiglia Stampo metallico costituito da due semi-stampi (acciaio o ghisa) progettati perché vengano aperti e chiusi con semplicità. Viene spruzzato nella cavità del distaccante (e lo stampo viene preriscaldato). Vantaggi - Buona finitura superficiale / controllo dimensionale - Solidificazione + rapida  Struttura a grana fine  maggiore robustezza del pezzo Svantaggi - Metalli con basso punto di fusione - Geometrie meno complesse e costo stampo più elevato - Non si possono colare acciai Ambiti: pistoni automobili, parti di pompe aerei Colata centrifuga

Il metallo liquido viene versato all’interno di una conchiglia metallica cilindrica ruotata ad alta velocità  forza centrifuga distribuisce il metallo fuso nella cavità dello stampo  solidifica e si contrae  viene estratto. Superficie interna cilindrica, esterna dipende dalla forma dello stampo. Vantaggi - alta densità (soprattutto dove Fc è massima) - contrazione dovuta alla solidificazione esterna non importante  la forza centrifuga railloca continuamente il metallo fuso verso la parete dello stampo durante la solidificazione  eventuali impurità tendono a concentrarsi sulla parete interna e facilmente rimuovibili Svantaggi - Controllo del diametro interno indiretto Ambiti: orizzontale  tubi non saldati di lunghezza elevata Verticali  piccoli pezzi con L < 2D, la gravità spinge il materiale verso il basso contribuendo a spessore non omogenei

Colata bassa pressione

Il metallo fuso viene iniettato direttamente dal crogiolo senza essere esposto all’aria nella cavità, dal basso verso l’alto. Vantaggi - Minima porosità/difetti di ossidazione  proprietà meccaniche del grezzo migliori

Pressofusione Il metallo fuso viene iniettato nella cavità dello stampo ad alta pressione, che è mantenuta costante durante la fase di solidificazione. Al termine lo stampo viene aperto per rimuovere il pezzo. Processo fortemente automatizzato. Si può applicare solo a metalli con basso punto di fusione (zinco, piombo, magnesio, stagno). Nelle macchine a camera calda il metallo viene fuso nel crogiolo collegato alla macchina e poi un pistone inietta il metallo fuso nello stampo.

Nelle macchine a camera fredda il metallo fuso viene colato da un crogiolo esterno in una camera di fusione non riscaldata, poi un pistone inietta il metallo ad alta pressione nello stampo. Ritmo produttivo più basso della camera calda. Utilizzate per colate di alluminio, ottone, leghe di magnesio.

Vantaggi - Alto tasso di produzione  economico per grandi quantitativi - Tolleranze molto strette / buona finitura superficiale - Spessori molto sottili fino a circa 0.5mm - Raffreddamento rapido  granulometria fine e buoni proprietà meccaniche

Svantaggi - Limiti nella geometria del pezzo Ambiti: componenti del sistema frenante auto, componenti per motori elettrici Confronto tra vari sistemi Difetti comuni ai processi di fusione - Colata incompleta - Giunto freddo - Gocce Fredde - Cavità di ritiro - Microporosità - Cricche a caldo Difetti specifici delle colate in sabbia - Porosità superficiale - Punte di spillo - Inclusioni - Penetrazione - Disallineamento tra forma superiore e inferiore - Incrinatura della forma Metalli da fonderia (in terra): - Acciaio - Ghisa - Alluminio (ma porosità gas) - Leghe rame Si prestano per: - Geometria complessa ma con pareti non sottili - Tolleranze 1% - Pesi medio-grandi - Dimensioni varie - No stabilità di progetto N.B. Gli angoli di sformo facilitano l’estrazione del modello senza cedimenti della sabbia circostante. I raggi di raccordo non devono essere troppo piccoli....