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TECNICHE DI FONDERIA 1 La solidificazione dei getti 1 Il fenomeno del ritiro Tutti i metalli o leghe subiscono delle contrazioni volumetriche dal momento della colata fino alla temperatura ambiente. Del ritiro si tiene normalmente conto aumentando le dimensioni della forma, esso può provocare il dif...

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TECNICHE DI FONDERIA 1 La solidificazione dei getti 1.1 Il fenomeno del ritiro Tutti i metalli o leghe subiscono delle contrazioni volumetriche dal momento della colata fino alla temperatura ambiente. Del ritiro si tiene normalmente conto aumentando le dimensioni della forma, esso può provocare il difetto noto col nome di cavità di ritiro.

Mentre nei metalli puri la superficie di separazione liquido-solido è molto regolare, le leghe solidificano con la formazione di strutture dendritiche. L’ampiezza della zona dendritica è minore nel caso di leghe con limitato intervallo di solidificazione. La struttura dendritica può provocare, oltre al classico cono di ritiro, anche la porosità interdendritica, cioè una contrazione volumetrica uniformemente distribuita in una zona del getto, spesso interna.

1.2 La velocità di solidificazione Gli studi di Chvorinov hanno dimostrato che il rapporto tra il volume di un getto e la sua superficie di scambio termico ha una notevole influenza sul tempo di solidificazione; questo rapporto si chiama modulo di raffreddamento M. Maggiore è il modulo di raffreddamento maggiore è il tempo di solidificazione; due getti con lo stesso modulo solidificano nello stesso tempo.

Le esperienze di Chvorinov hanno inoltre dimostrato che lo spessore dello strato solidificato x dopo il tempo T segue una legge del tipo

Essendo k una costante funzione della lega e del materiale costituente la forma. Considerando la solidificazione di una piastra di spessore S, come nella figura sopra, essa si può ritenere terminata quando lo spessore dello strato solidificato è pari alla metà dello spessore e quindi al modulo di raffreddamento M; ne risulta che il tempo di solidificazione della piastra è circa

Chvorinov ha dimostrato questa relazione in molti casi diversi dalla semplice piastra, pertanto, in prima approssimazione, essa si può ritenere sempre applicabile.

1.3 La solidificazione direzionale Il getto solidifica iniziando dal gradino più sottile, che ha un modulo di raffreddamento inferiore a quello successivo; il secondo gradino contiene quindi metallo ancora liquido mentre il primo sta solidificando e quindi alimenta le cavità del ritiro che tendono a formarsi nel primo. La solidificazione ha termine nell’ultimo gradino che, non essendo alimentato, contiene sicuramente cavità di ritiro. Per evitare questo difetto si ricorre all’utilizzo di materozze, cioè di serbatoi di lega che, solidificando per ultimi, alimentano il getto di metallo liquido così da compensare il ritiro in fase di solidificazione. Se quindi la materozza è ben dimensionata e posizionata, la cavità corrispondente al ritiro del getto è contenuta nella materozza stessa, che viene in fine asportata.

Il meccanismo di solidificazione illustrato sopra richiede quindi la presenza di un gradiente termico che, senza interruzioni, deve portare la solidificazione dalle parti con modulo più basso a terminare nella materozza. Si parla quindi di solidificazione direzionale ottenibile disegnando il getto in modo tale che una sezione possa essere facilmente alimentata da quella adiacente, se quest’ultima ha un modulo di raffreddamento superiore di almeno il 10%. Prendendo in esame la solidificazione di una piastra, essa avviene per strati paralleli in una sezione lontana dai bordi; con crescita accelerata dei dendriti a causa della maggior superficie di scambio termico disponibile in corrispondenza dei bordi (effetto d’estremità); in corrispondenza della materozza, che rappresenta un accumulatore di calore, rallenta l’accrescimento dei dendriti.

Se quindi le zone di estremità e la materozza sono sempre in contatto attraverso metallo liquido, il getto risulta sano; se, al contrario, tali zone rimangono separate da dendriti solidificate, è inevitabile la formazione di cavità di ritiro nelle sezioni isolate dalla materozza. Ciò può avvenire nel caso di pezzi di grandi dimensioni, nelle zone non comprese nel raggio d’influenza della materozza. Da sperimentazioni risulta che tale raggio può essere valutato, in modo approssimato, con la seguente relazione:

Dove S è lo spessore medio del getto nella zona di attacco della materozza, k è un parametro che dipende dal materiale del pezzo; risulta inoltre che l’effetto di estremità è pari a circa 2,5 volte S, tale effetto può essere aumentato di circa 50 mm inserendo dei raffreddatori esterni.

1.4 La materozza e il suo dimensionamento Esistono due tipi di materozza: a cielo aperto, che affiorano sulla parte superiore della forma, e quelle cieche, totalmente immerse nella forma. Nelle prime il contatto con la pressione atmosferica per tutta la durata della solidificazione è assicurato mediante l’agitazione del liquido contenuto (pompaggio della materozza), più in generale aumentandone il contenuto termico mediante ricoprimento con polveri esotermiche. Nelle seconde il contatto con la pressione atmosferica è ottenuto inserendo nella parte alta della materozza una punta di materiale poroso, oppure realizzando, durante la formatura, una punta in terra da fonderia; in questo modo lo scarso potere disperdente della punta rallenta il raffreddamento. La scelta tra materozza cieca ed a cielo aperto è solo funzione della posizione che essa deve assumere nella forma. Le forma migliore per una materozza è quella sferica, in quanto la sfera a parità di volume ha la minor superficie; tuttavia la sua formatura sarebbe complessa e quindi costosa, per questo motivo le calotte delle materozze cieche vengono fatte emisferiche. Formandosi una cavità di ritiro nella materozza, ne consegue una diminuzione del volume iniziale della stessa ed un aumento della superficie di scambio termico; ciò si traduce in una diminuzione del modulo di raffreddamento della materozza di circa il 17%, per questo motivo è stato detto che il modulo di raffreddamento iniziale della materozza deve essere circa 1,2 volte quello del getto, in modo da essere uguale a quest’ultimo a solidificazione terminata. Di seguito, le forme tipiche delle materozze usate in fonderia

1.5 Il sistema di colata Il sistema di colata consiste nell’insieme di canalizzazioni che permettono alla lega liquida di riempire la forma; esso va progettato tenendo conto che:     

La forma deve essere riempita rapidamente, cioè prima che in qualche parte sia completata la solidificazione; Occorre evitare forti velocità e turbolenze della corrente fluida che potrebbero provocare erosioni della forma e trascinamento d’aria all’interno; Occorre impiegare accorgimenti opportuni per evitare che la scoria penetri all’interno della forma e dia luogo a inclusioni; Alla fine del riempimento, il gradiente termico presente nella forma deve possibilmente essere adatto a una corretta solidificazione direzionale; Occorre distribuire la lega liquida in modo quasi contemporaneo nelle varie parti di getti, evitando alla vena fluida di fare lunghi percorsi nel getto.

Gli elementi costituenti il sistema di colata più comune sono: 

 



Il bacino di colata, avente la funzione di accogliere il primo impatto della corrente fluida proveniente dal crogiolo di colata, smorzandone quindi la velocità, dotato sempre di vari sistemi per evitare l’ingresso di scoria della forma; Il canale di colata, che porta la corrente fluida dall’esterno sul piano di divisione della forma; Il canale distributore, che rallenta ulteriormente la vena fluida riducendo le turbolenze e prepara il metallo liquido nelle varie zone di alimentazione del getto, tale canale può talvolta essere dotato di trappole ferma-scoria; Gli attacchi di colata, che portano la vena fluida opportunamente suddivisa nelle varie zone prescelte per l’ingresso nella forma.

Esistono altre tipologie di sistemi di colata, utilizzati a secondo della geometria del getto:   

Sistemi dall’alto, molto validi dal punto di vista del gradiente termico del getto, ma pericolosi se il getto è troppo alto per la formazione di gocce fredde; Sistemi dal basso, i migliori per evitare le turbolenze della corrente fluida, ma con problemi di formatura e di gradiente termico; Sistemi a pettine, indicati per getti di altezza elevata.

1.5.1 Tipologie di sistemi di colata 

Colata in piano: il canale di colata si apre sul piano di divisione delle staffe; il riempimento è graduale; bassa erosione della forma.



Colata diretta: il canale di colata si apre direttamente nella parte più alta della forma; problema delle gocce fredde; impatto violento alla base del getto che può provocare l’erosione della forma.



Colata in sorgente: il canale di colata si apre sul fondo della forma; riempimento più graduale; minor erosione della forma.

2 La progettazione dei modelli e delle anime 2.1 Definizioni generali La forma viene realizzata utilizzando un modello e una o più anime; il modello ha la funzione di generare nella forma le superfici corrispondenti a quelle esterne del greggio, mentre le anime hanno lo scopo di creare nel greggio le cavità previste dal progetto. La forma è realizzata mediante un idoneo materiale da formatura, contenuto in apposite staffe; le anime generalmente sono realizzate tramite altre forme, chiamate casse d’anima, utilizzando lo stesso materiale di formatura impiegato per la forma. Altri dispositivi indispensabili per la riuscita del getto sono: il sistema di colata, attraverso il quale la lega fusa entra nella forma e la materozza, avente la funzione di compensare il ritiro del getto durante la solidificazione.

2.2 Problemi di estraibilità del modello Il primo problema da risolvere nello studio del ciclo di fusione in forma transitoria è la scelta del piano di divisione delle staffe, infatti è ovvio che il modello, dopo aver svolto la sua funzione di permettere la costruzione della forma, deve poter essere estratto dalla forma stessa senza danneggiarla. Nel caso di forme permanenti il problema è del tutto analogo, pur trattandosi in questo caso del getto e non del modello che deve poter essere estratto dalla conchiglia. Le parti del modello che, durante l’estrazione, rovinerebbero la forma si dicono in sottosquadro e lo studio di cui sopra è noto come soluzione dei sottosquadri. Se esaminando i possibili piani di divisione non si trova soluzione, si può ricorrere ad uno dei seguenti metodi, descritti in ordine di costo crescente: a) Modifica del progetto, questa soluzione è la più economica in quanto il progettista può apportare modeste variazioni al progetto, pur conservando la funzionalità prevista, evitando problemi di sottosquadro; tuttavia sarebbe auspicabile che il progettista disegnasse tenendo già conto dei problemi di produzione. b) Tasselli, tale metodo consiste nell’utilizzare tasselli preparati separatamente, in pratica delle anime montate a sbalzo nella forma, inseriti nelle cavità ottenute prevedendo idonee portate d’anima sul modello; tale metodo è il più usato quando il sottosquadro non può essere eliminato con una diversa scelta del piano di divisione. c) Modello scomponibile, tale metodo consiste nel realizzare la parte in sottosquadro del modello mobile rispetto al resto del modello, in questo modo, durante la sformatura, una parte viene estratta normalmente, mentre l’altra, rimasta dentro la forma, può essere estratta dal formatore con un’operazione manuale, spesso delicata e molto costosa.

2.3 Sovrametallo La maggior parte dei procedimenti di fusione non permette di ottenere superfici con una qualità tale da soddisfare le esigenze funzionali del progetto, per cui tale qualità deve essere ottenuta mediante lavorazioni alle macchine utensili per asportazione di truciolo. Ne risulta quindi che è necessario prevedere uno spessore di materiale da asportare chiamato sovrametallo. L’entità del sovrametallo da prevedere è un compromesso tra due esigenze: una di carattere economico, che tende a ridurre al minimo tale sovrametallo, e una di carattere tecnologico, che tende a garantire un margine di sicurezza nei confronti di errori di formatura. I fattori che influenzano lo spessore di sovrametallo sono i seguenti:    

Dimensioni del getto Materiale del getto Qualità richiesta dal progetto Metodo di formatura

2.4 Ritiro Le leghe impiegate in fonderia subiscono una contrazione volumetrica; ne segue che il getto risulta di dimensioni inferiori a quelle della forma, per cui la forma deve essere di dimensioni opportunamente maggiorate rispetto alle dimensioni finali desiderate del greggio; tuttavia è molto difficile prevedere come il getto si contrae nei vari punti, pertanto si è soliti usare un coefficiente di ritiro lineare medio, il quale dipende da dimensione e materiale del getto.

2.5 Angoli di sformo e raccordi L’operazione di estrazione del modello dalla forma è detta sformatura; si tratta di un’operazione delicata in quanto può provocare danni alla forma. Per agevolare quest’operazione i modelli sono costruiti in modo da eliminare o ridurre al minimo le superfici perpendicolari al piano di divisione; ciò si ottiene inclinando tali superfici di un piccolo angolo, detto angolo di sformo, che dipende dal materiale del modello e del getto, e dalla profondità dell’impronta.

Inoltre gli spigoli vivi devono essere assolutamente eliminati mediante raggi di raccordo, infatti: 



Nelle forme transitorie gli spigoli vivi della forma o delle anime non resisterebbero all’azione erosiva della lega fusa e le parti asportate andrebbero a costituire delle inclusioni non metalliche nel getto; Nelle forme permanenti gli spigoli vivi della forma costituirebbero zone di concentrazione di tensioni derivanti dalle sollecitazioni termiche e meccaniche a cui la conchiglia è sottoposta durante la colata, con possibili inneschi di fratture.

2.6 Anime, portate d’anima e casse d’anima Le portate d’anima devono essere previste sul modello per poter creare nella forma idonee sedi di appoggio di anime e/o tasselli. Nel caso di anime disposte con asse parallelo al piano di separazione delle semiforme, le portate si fanno in genere cilindriche avendo cura di eliminare gli spigoli vivi; le anime disposte con asse ortogonale al piano di separazione delle semiforme devono invece avere portate di forma tronco conica, che permetta un agevole posizionamento dell’anima nella forma (ramolaggio). Per la buona riuscita della colata, le anime devono avere le seguenti principali caratteristiche: 



 

Resistenza meccanica, in modo da evitare che, durante la colata, l’anima si infletta e provochi delle differenze di spessore indesiderate nel getto. Questa caratteristica viene garantita, quando la rigidezza flessionale fornita dal solo materiale di formatura non è sufficiente, da apposite armature metalliche inserite nella struttura dell’anima. Permeabilità, per permettere un agevole deflusso dei prodotti gassosi caldi che si formano durante la colata nel corpo dell’anima stessa; normalmente la struttura dell’anima non garantisce una sufficiente permeabilità e si andrebbe incontro alla formazione di bolle piene di gas (soffiature) nel getto, per cui è necessario prevedere opportune canalizzazioni ricavabili durante la costruzione dell’anima o eventualmente già presenti nella struttura portante dell’anima stessa (lanterne). Cedevolezza, in modo da evitare tensioni residue durante il ritiro; tale caratteristica è assicurata dalla porosità stessa del materiale di formatura, nel caso ovviamente di formatura transitoria. Sgretolabilità, in modo da rendere rapida e agevole l’estrazione del materiale costituente l’anima dal getto distaffato; questa caratteristica viene assicurata, nelle forme transitorie, da idonei additivi nel materiale di formatura.

Si noti che, nel caso di forme permanenti, essendo le anime realizzate in metallo, la resistenza meccanica è soddisfatta; la permeabilità non interessa, in quanto l’uscita dei gas è assicurata da canalizzazioni nella conchiglia; la cedevolezza non può essere soddisfatta per cui occorre prendere opportune precauzioni durante la colata, ad esempio preriscaldando la conchiglia; la sgretolabilità non ha senso dato che le anime metalliche sono estratte meccanicamente grazie agli angoli di sformo presenti. Per quanto riguarda le modalità costruttive delle anime per forme transitorie, il metodo più comune è quello della cassa d’anima, nel quale il materiale di formatura viene compresso in un contenitore che rappresenta la forma dell’anima.

3 Le tecniche di fusione in forma transitoria 3.1 Generalità I vari procedimenti in forma transitoria hanno in comune il fatto che il materiale di formatura è sempre costituito da:   

Silice granulare, avente la funzione di elemento refrattario; Legante, argilloso o di altro tipo, che garantisce la coesione della forma; Additivi, che hanno la funzione di correggere alcune caratteristiche del materiale di formatura, poco adatte all’uso della fonderia.

I materiali da formatura devono possedere le seguenti caratteristiche tecnologiche:   

 

Refrattarietà, intesa come capacità di resistere alle elevate temperature, della lega fusa, senza fondere. Coesione, intesa come resistenza alle forze esterne; la maggiore influenza su questa proprietà è data dal legante. Permeabilità, intesa come possibilità di lasciarsi attraversare da un flusso di materiale gassoso ed evitare così difetti come le soffiature, dovuti ai gas che rimangono intrappolati nel metallo solidificato; questa proprietà dipende dallo spessore della forma stessa ma anche dal tipo di additivi utilizzati. Scorrevolezza, intesa come capacità del materiale di formatura di riempire completamente il modello ricopiandolo fedelmente. Sgretolabilità, proprietà importante ai fini economici al momento della distaffatura e dell’eliminazione delle anime.

I vari procedimenti di formatura in forma transitoria si distinguono soprattutto per il tipo di legante impiegato e di conseguenza per gli impianti e attrezzature necessarie al processo di indurimento. Una possibile classificazione dei procedimenti di formatura, in forma transitoria, può essere fatta basandosi sul meccanismo di indurimento della forma fino al raggiungimento della coesione desiderata; tale meccanismo può essere di tipo: 





Meccanico, basato su una fase di compressione manuale o meccanica. Chimico, basato su reazioni chimiche naturali o provocate da catalizzatori. Termico, in cui l’effetto del calore interviene nel processo di formatura.

3.2 Procedimento di formatura con terra sintetica È il metodo classico di formatura consistente nella meccanizzazione del procedimento manuale di formatura con staffe. Il legante più usato è bentonite, un particolare tipo di argilla, in quantità pari a circa il 10% se si opera senza essiccazione (a verde), e al 4% circa se si opera a secco. Tra gli additivi usati, tutti in quantità inferiore all’1-2%, si ricordano l’amido, che rende la terra più plastica e idonea a formature difficili, la farina di cereali, che elimina difetti dovuti all’espansione della forma, le peci macinate allo stato di polvere che controllano le reazioni metallo-forma.

La forma è contenuta in due staffe, dotate di idonei sistemi di riferimento. La fase di formatura si basa su un’azione vibratoria di tutto il complesso placca modello-staffa-terra, seguita da un’azione di compressione meccanica. Ambedue le azioni sono necessarie per assicurare un grado di compressione uniforme in tutta la forma. La fase di sformatura consiste nella separazione della placca modello dalla forma in direzione perpendicolare al piano di divisione. Il metodo descritto può essere impiegato nella fonderia dei materiali ferrosi e non; la precisione dimensionale e la finitura superficiale sono scarse.

3.2.1 Tipologie di processi di formatura meccanica A pressione

Ad aria compressa

A scossa

In motta

A lancio

3.3 Procedimento di formatura in fossa Il procedimento impiega lo stesso material...