TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
CAPITOLO
10
10 TECNOLOGIE DI COLATA
Sinossi
10.1 Fusione
L
e tecnologie di colata sono state le prime ad essere
utilizzate dall’uomo per la lavorazione dei metalli
e per molto tempo esse ne hanno costituito il processo
di trasformazione principale. Ai giorni nostri molti
settori manifatturieri adottano ancora estensivamente
queste tecniche, che nel frattempo sono molto evolute
e sono in grado di fornire manufatti ad alte prestazioni
a costi competitivi. A causa delle morfologie esili e
sottili dei tipici componenti strutturali, le tecnologie di
colata secondaria trovano applicazioni limitate, ma ben
consolidate, nelle costruzioni aerospaziali: componenti
di carrelli, parti di motori, attacchi strutturali di forza,
etc. Inoltre, alcuni metalli e leghe metalliche di
peculiare utilizzo aerospaziale sono particolarmente
adatti ad essere trasformati tramite tecniche di colata.
Infine, le tecniche di colata primaria sono alla base di
tutte le tecnologie secondarie dei metalli. Il presente
capitolo prende in considerazione principalmente le
tecniche di colata secondaria (per la produzione di
pezzi finiti -getti di fusione-) piuttosto che quelle di
colata primaria (per la produzione di lingotti),
riferendosi in particolare alle leghe di alluminio, di
magnesio ed agli acciai speciali. Nella prima parte
verranno analizzati i problemi generali (fusione
riempimento, solidificazione, ritiro, segregazione), per
passare poi alla disamina delle tecnologie specifiche.
I
processi di colata comportano un passaggio di stato: il
metallo deve essere riscaldato sino a fusione per poter
essere colato nello stampo e assumerne la forma.
L’energia termica necessaria a questo fine è data dalla
somma di tre contributi:
 calore necessario per portare il materiale alla
temperatura di fusione;
 calore latente di fusione per trasformare il
materiale da solido a liquido;

calore necessario per portare il materiale dalla
temperatura di fusione a quella necessaria alla
colata:
H = V[Cs(Tm - To) + Hf + Cl(Tp – Tm)]
dove:
H calore totale necessario per arrivare a Tp
densità del metallo
V volume del metallo
Cs calore specifico del metallo solido
Cl calore specifico del metallo fuso
Hf calore latente di fusione
To temperatura iniziale (ambiente)
Tm temperatura di fusione
Tp temperatura di colata
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
1
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
L’operazione di riscaldamento viene effettuata in
forni, che possono essere caratterizzati da diversi
principi di funzionamento. La scelta di un forno deve
basarsi sulle seguenti considerazioni:
fondo della suola. E’ una tipologia
particolarmente adatta alle leghe di alluminio.
di
forno
- a riscaldamento indiretto -crogiolo- (Figura 10.2): molto
usato nella storia della metallurgia. Il metallo contenuto
nel crogiolo viene riscaldato con idrocarburi gassosi o
liquidi, combustibile fossile o elettricamente. Possono
essere stazionari, basculanti o completamente mobili.
Sono particolarmente adatti alla fonderia delle leghe
leggere e degli acciai.
 fattori economici (prezzo d’acquisto e lifecycle-cost);
 composizione e temperatura di fusione della
lega che si intende produrre;
 possibilità di controllare l’atmosfera per evitare
contaminazioni;
- ad arco elettrico (Figura 10.3): hanno un elevato rateo di
fusione, e quindi sono adatti a grandi produzioni. Sono
meno inquinanti rispetto agli altri tipi di forni e sono in
grado di mantenere il metallo fuso a temperatura costante
per lunghi periodi di tempo, consentendo così operazioni
di alligazione anche complicate;
 capacità e rateo di fusione;
 invasività ambientale (inquinamento chimico,
termico ed acustico);
 tipo e costo del combustibile o dell’energia
elettrica;
- a induzione (Figura 10.4): sono particolarmente adatti
alle piccole fonderie e consentono la produzione di
piccole quantità di fuso, di composizione strettamente
controllata. Ne esistono di due tipi: coreless, nel quale il
crogiolo è avvolto da spire di rame raffreddate ad acqua
entro cui passa corrente ad alta frequenza  forti effetti di
rimescolamento elettromagnetico, ottime capacità di
alligazione ed aggiunta di nuovi alliganti; channel, nel
quale il crogiolo è solo in parte avvolto dalle spire, entro
cui passa corrente a bassa frequenza  particolarmente
adatto al super-riscaldamento per aumentare la fluidità del
fuso;
 possibilità di sovra-riscaldare il fuso;
 tipo di carica che può essere utilizzata (sfridi rifusi, rottami, metallo primario, etc.)
Di seguito ne vengono presentati i tipi principali, i
primi tre dei quali particolarmente adatti alla fonderia
delle leghe di alluminio e di magnesio:
- a riscaldamento diretto (Figura 10.1): essi sono
costituiti da un letto di fusione (suola), sul quale il
materiale viene riscaldato dalla fiamma di bruciatori
collocati ai lati del forno. Nel caso di forni a riverbero,
il calore della fiamma viene riflesso dal soffitto e dalle
pareti del forno e concentrato sul metallo che, una
volta fuso, viene evacuato attraverso un’apertura sul
- a cupola (Figura 10.5): sono serbatoi verticali in acciaio,
rivestiti all’interno di materiale refrattario e riempiti con
strati alternati di coke e di metallo. Essi operano in
continuo, sono caratterizzati da elevati ratei di fusione e
sono adatti alla produzione in massa degli acciai.
Figura 10.1 – Forno a riscaldamento diretto.
Figura 10.2 – Forno a riscaldamento indiretto.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
2
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Figura 10.3 – Forno ad arco elettrico.
manualmente oppure tramite una gru. E’ necessario
evitare l’introduzione di ossidi nello stampo di fusione: a
questo fine, durante il tragitto, il fuso viene protetto in
superficie da speciali additivi e filtrato prima di essere
colato; inoltre, spesso, la lingottiera viene svuotata dal
fondo. Durante il riempimento dello stampo si possono
verificare eventi particolarmente critici, tali da influenzare
la qualità finale del getto:
- interazioni gassose con il fuso: un metallo fuso è un
composto chimico estremamente reattivo, nei confronti sia
dell’ambiente gassoso che lo sovrasta, sia del materiale
che costituisce il crogiolo che lo contiene. Questa
reattività deriva dalla tendenza del fuso a raggiungere la
condizione di equilibrio con l’ambiente circostante. La
combustione degli idrocarburi entro i forni produce acqua,
i rivestimenti refrattari rilasciano umidità: il metallo fuso
M reagisce:
Figura 10.4 – Forno a induzione.
M + H2O  MO + H2
dando luogo ad ossidi MO ed idrogeno H2 = 2[H], la cui
solubilità nel fuso (dipendente dalla temperatura) è
espressa dalla relazione:
[H]2 = kPH2
la quale consente di determinare la pressione parziale di
idrogeno che sta in equilibrio con una data concentrazione
di idrogeno in soluzione nel fuso. La Figura 10.7 che ne
consegue, si riferisce alla solubilità dell’idrogeno
nell’alluminio fuso; per una umidità atmosferica del 30%,
un fuso alla temperatura di 750°C incorpora 1ml/kg di
idrogeno: livello già inaccettabile rispetto agli standard
tecnologici aerospaziali.
Figura 10.5 – Forno a cupola.
I forni vengono preventivamente caricati con il metallo
primario commercialmente puro (usualmente costituito
da sfridi ri-fusi), gli alliganti e gli additivi che
svolgono le funzioni di disossidare, de-gassare,
raffinare e pulire il fuso dai residui provenienti dalle
pareti del crogiolo. Per le leghe d’alluminio, questi
additivi possono essere costituiti da cloruri, floruri e
borati di alluminio, sodio, magnesio, calcio e potassio.
Figura 10.6 – Crogiolo o siviera.
Si noti che l’unico gas solubile nell’alluminio e nel
magnesio in quantità rilevanti è l’idrogeno. Al problema si
può ovviare in due modi:
Una volta completato il processo, il metallo fuso viene
trasferito dal forno allo stampo per mezzo di un
crogiolo o di una siviera (Figura 10.6), movimentabili
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
3
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
 proteggendo il fuso all’interno del forno con
un’atmosfera di gas inerte;
 de-gassando il fuso
(insufflazione) con azoto
tramite
 accrescimento della zona ossidata interna.
stripping
Figura 10.7 – Solubilità dell’idrogeno nell’alluminio
fuso.
- formazione di film superficiali: come mostrato nella
relazione precedente, sulla superficie del fuso si ha la
formazione di un film di ossido. Nel caso di alluminio
puro si tratta inizialmente di -alumina, che impedisce
la formazione di ulteriore ossido; poi essa si trasforma
in -alumina, che consente l’ispessimento del film ad
un rateo maggiore. Per leghe alluminio-magnesio, lo
strato di ossido è costituito da spinello (Al2O3 + MgO),
per maggiori concentrazioni di magnesio, da MgO
puro
- incorporazione dei film nel fuso: il film superficiale
non è pericoloso fin tanto che rimane superficiale; il
problema sorge quando il film viene inglobato, e ciò
avviene principalmente in due circostanze (Figura
10.8):
Figura 10.8 - Modalità di incorporazione del film
superficiale nel fuso. (a) il film rimane superficiale (nessun
inglobamento); (b) formazione di dross ring a causa
dell’aggiunta del metallo primario o alliganti nel fuso, (c)
inglobamento di aria e del film nel fuso quando dal crogiolo
o dalla siviera il fuso viene colato entro lo stampo.
 quando vengono aggiunti metallo primario o
alliganti nel fuso contenuto nel crogiolo entro il
forno;
 quando dal crogiolo o dalla siviera il fuso viene
colato entro lo stampo.
A causa dei moti turbolenti, il film superficiale si
ripiega su se stesso (Fig.10.9), può aumentare il
proprio spessore, portando a contatto due superfici
ossidate, e creando così non solo un’inclusione, bensì
una cavità. Le conseguenze sono:
 ridotta fluidità del fuso
 ridotta resistenza fatica
 ridotte caratteristiche meccaniche in generale
Figura 10.9 – Moto turbolento in un film superficiale.
 problemi di lavorazione alla macchina utensile
 perdita di tenuta (a causa delle cavità)
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
4
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
I moti turbolenti alla base di questo meccanismo non
sono però legati ad una turbolenza interna, descritta
dal numero di Reynolds, il quale deriva dal confronto
tra la pressione inerziale e quella viscosa:
- caratteristiche del metallo fuso:
 viscosità
 tensione superficiale
 presenza di inclusioni
Re = vl/
 percorso di solidificazione
dove:
- caratteristiche del processo di colata:
Re numero di Reynolds
v velocità
 progetto dello stampo
densità
 materiale costituente lo stampo e sua rugosità
l lunghezza caratteristica
 grado di possibile super-riscaldamento
 viscosità
 rateo di riempimento
 meccanismi di trasmissione del calore
bensì da una turbolenza superficiale, descritta dal
numero di Weber, che deriva dal confronto tra la
pressione inerziale e la tensione superficiale:
La fluidità può essere misurata attraverso numerosi tipi di
test, uno dei quali, mostrato in Figura 10.11, correla la
fluidità con la distanza che il metallo fuso percorre lungo
il canale spiroidale: la fluidità Lf è misurata dalla
(massima) lunghezza percorsa dal metallo fuso entro tale
canale.
We = v2r/
dove:
We numero di Weber
v velocità
 densità
r raggio di curvatura locale della superficie
 tensione superficiale.
I valori limite da mantenere, ove possibile, sono:
flusso laminare < Re=2000 < flusso turbolento
quiete superficiale < We=0,5 < turbolenza superficiale
- formazione di superfici di discontinuità interne:
specie per le fusioni in lega d’alluminio, anche nei casi
in cui non si crea e non si ingloba il film superficiale,
la geometria dello stampo può obbligare il flusso di
metallo fuso a separarsi per poi riunirsi lungo una
superficie remota (Figura 10.10).
Una tale separazione e ricongiungimento comporta di
norma la formazione di un film che ricopre i due fronti
di flusso.
Si possono verificare allora le seguenti circostanze:
 i due fronti non si incontrano affatto;
 i due fronti si incontrano, ma la giunzione è
priva di resistenza;
 la giunzione ha una resistenza parziale;
Figura 10.10 - (a) Esempio di moto di un fluido, separazione
e ricongiungimento, attorno una superficie di separazione
(b) e (c) esempi di stampi che obbligano la separazione del
flusso del metallo fuso.
 la giunzione ha una resistenza completa.
I primi due difetti sono facilmente rilevabili; nel quarto
caso il problema non si pone; la terza situazione è la
più critica, in quanto il difetto è difficilmente rilevabile
e la resistenza solo parziale. Le contromisure risiedono
perciò solo in un opportuno progetto del numero e del
tipo dei canali di colata.
La fluidità dei metalli puri e degli eutettici, che
solidificano ad un preciso valore di temperatura, è ben
diversa dalla fluidità delle leghe, che solidificano in un
ampio campo di temperature (Figura 10.12); inoltre la
fluidità di queste ultime dipende dalla percentuale di
alligazione (Figura 10.13).
Tutti i comportamenti che influiscono sulla capacità di
un metallo fuso di riempire uno stampo sono legati alla
fluidità, che a sua volta dipende da:
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
5
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Lf = Vtf /2 (*) (lega)
Una volta definito m come il modulo del getto, ovvero il
rapporto tra il suo volume e la superficie esterna di
raffreddamento, si osserva che la fluidità aumenta:
 all’aumentare della temperatura del fuso;
 all’aumentare della temperatura dello stampo;
 all’aumentare dell’isolamento termico dello
stampo, per cui risulta, ponendo k e k’ costanti e h
rateo di trasmissione del calore attraverso
l’interfaccia fuso/stampo metallico:
tf = km2 (colata in sabbia)
Figura 10.11 – Esempio di strumentazione per la misura
della fluidità.
tf = k’m/h (colata in conchiglia metallica)
da cui risulta:
Lf/m = kVm (colata in sabbia)
Lf/m = k’V/h (colata in conchiglia metallica)
Queste due semplici relazioni consentono di prevedere la
possibilità per uno stampo di essere riempito.
Infine, si usa il concetto di colabilità per definire la
facilità con cui un metallo può essere fuso e colato per
ottenere un manufatto di buona qualità: tale concetto
comprende non solo la fluidità, ma anche altri aspetti
tecnologici quali: il materiale dello stampo e la sua
conducibilità termica  che ne limita la flussabilità; lo
spessore del condotto da riempire che, a causa della
tensione superficiale che si genera al suo interno  ne
limita la riempibilità.
Figura 10.12 – Fluidità di leghe Pb-Sn.
Ciò giustifica ad esempio il largo utilizzo che viene
fatto delle leghe eutettiche Al-Si rispetto alle leghe AlCu: le seconde sono molto più prestanti, mentre le
prime sono molto più facilmente colabili. Alla base di
questa differenza sta la diversa modalità di
solidificazione (Figura 10.14), che nel caso di metalli
puri/eutettici consiste nella formazione di fronti di
solidificazione piani, che si ricongiungono dalle pareti
verso il centro, occludendo il canale, mentre nel caso
delle leghe si ha una progressiva formazione di
dentriti: quando essi raggiungono il 50% del volume
del materiale(*) avviene l’occlusione del canale. Perciò,
definendo V e tf rispettivamente la velocità ed il tempo
di riempimento, è possibile calcolare nei due casi la
massima lunghezza percorsa dal metallo entro il
condotto, ovvero la fluidità Lf:
Figura 10.13 – Fluidità in funzione della percentuale di
alliganti parametrizzata rispetto alla temperatura.
Lf = Vtf (metallo puro o eutettico)
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
6
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
flusso di metallo lascerebbe spazio per aspirare aria
all’interno dello stampo. Su queste basi è inoltre possibile
calcolare il tempo di riempimento tf di uno stampo di
volume V:
tf = V/Q
Poiché si sono trascurate le perdite di carico per attrito,
questo tempo deve considerarsi come valore minimo.
In termini operativi, la fase di travaso dal crogiolo o dalla
siviera allo stampo è la più critica e normalmente è
responsabile della nascita della maggior parte di difetti e
quindi di scarti in processo di colata. Per prima cosa è
necessario verificare se il metallo fuso è in grado di
riempire lo stampo. Per le leghe d’alluminio, in genere
questo è possibile per sezioni non più sottili di circa 2mm.
Il problema può essere quantificato a partire dalla
relazione:
Figura 10.14 - Modalità di solidificazione. (a) Metalli
puri/eutettici (b) Leghe
Pi – Pe = (1/r1 + 1/r2)
ove:
10.2 Riempimento
P1 = pressione interna al fuso
e relazioni generali che governano il meccanismo
di riempimento dello stampo da parte del metallo
fuso sono:
L
P2 = pressione esterna
- il teorema di Bernoulli, che stabilisce la costanza
dell’energia totale del fluido in ogni sezione del flusso:
r1 = raggio del menisco nel piano 1-1
h1 + p1/g +
v12/2g
 = tensione superficiale
r2 = raggio del menisco nel piano 2-2 (perp. a 11)
+ F1= h2 + p2/ g + v2 /2g + F2
2
Nel caso in cui la pressione di riempimento supera la
resistenza dovuta alla tensione superficiale si ha:
dove:
h altezza
Pi – Pe > 2/r
 densità
Pi – Pe > /r
p pressione
- la legge di continuità, che stabilisce che la portata
volumetrica del fluido si conserva in ogni sezione del
flusso:
queste formule, valide rispettivamente per un condotto
circolare di raggio r = r1 = r2 e per un piatto sottile di
spessore 2r1 = 2r per cui 1/r2 è nullo, possono venir
utilizzate per calcolare l’altezza h da cui deve essere
colato il fuso per garantire il riempimento di un meato di
spessore 2r durante la colata per gravità a pressione
atmosferica. Ponendo  la densità del fuso e g
l’accelerazione di gravità, la pressione idrostatica
all’altezza h è espressa come gh. La pressione totale
all’interno del fuso è data dalla somma della pressione
idrostatica e della pressione atmosferica Pa. La pressione
esterna al fuso è data dalla somma della pressione
ambiente e della pressione dei gas contenuti nello stampo
in sabbia Pm, per cui la relazione diventa:
Q = v1A1 = v2A2
(Pa + gh) – (Pa + Pm) > /r
v velocità
g accelerazione di gravità
F perdita di carico
Trascurando le perdite di carico, considerando che il
processo avvenga a pressione atmosferica, che la base
del canale di colata sia alla quota h2 = 0, che la
velocità iniziale del fluido sia v1 = 0, si può calcolare
la velocità del flusso:
v2 = (2gh1)1/2
ovvero:
dove:
gh – Pm > /r
Q portata volumetrica
da ciò si evince che:
v velocità
 l’outgassing degli stampi ne ostacola il
riempimento, quindi essi vanno provvisti di fori di
drenaggio;
A area della sezione
Queste ultime due relazioni dimostrano che il canale di
colata deve essere rastremato: se così non fosse,
all’aumentare della velocità, la ridotta sezione del
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
7
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
 la pressione atmosferica non gioca alcun ruolo,
così come l’eventuale grado di vuoto; nel caso
di colata vacuum-assisted, viceversa il vuoto
garantisce l’outgassing degli stampi (Pm=0) e
conferisce alla pressione atmosferica un effetto
propulsivo:
Pa + gh > /r
Va notato che quando nella colata in sabbia per
gravità, la pressione esterna è tale da vincere la
resistenza offerta dalla tensione superficiale, il metallo
fuso inizia a riempire lo stampo, ma anche a permeare
gli strati più esterni dello stampo in sabbia 
peggioramento della rugosità superficiale. Per ovviare
a questo problema:
 si usano sabbie di granulometria minore;
 si riveste la superficie dello stampo
Viceversa, nella presso-colata in conchiglia (pressioni
tipiche 1000 di bar) e nella colata centrifuga
(accelerazioni tipiche di 100g), si ottengono getti con
raggi di raccordo sino a 0,001mm.
Una volta verificata la possibilità di riempimento dello
stampo, è necessario ottimizzarne la procedura in
modo da limitare al massimo la generazione di difetti;
questo passa attraverso la progettazione ottima del
sistema di riempimento, i cui elementi principali sono:
Figura 10.15 - Tipologie non ideali/ideali di sistemi di
riempimento (sopra e sotto rispettivamente).
 camera di riempimento (cup/bush)
 canale di colata (sprue)
 canale principale di adduzione (runner)
 canali secondari di riempimento (gates).
Un buon sistema di riempimento deve possedere le
seguenti caratteristiche (Figura 10.15):
 dimensioni ed ingombri il più possibile limitati;
 capacità di riempire lo stampo alla velocità
richiesta;
 capacità di trasferire solo il metallo fuso e non
le inclusioni;
 capacità di evitare la turbolenza superficiale;
 facilità di rimozione al termine del processo;
 tolleranza rispetto alle variabilità tecnologiche
(velocità di riempimento, temperatura del fuso
e dello stampo, etc.).
Figura 10.16 – Teorema di Bernoulli applicato al canale di
colata.
A tal fine, nel seguito, vengono illustrati, componente
per componente, i principali accorgimenti di progetto:
- canale di colata: il canale di colata deve avere forma
tronco-conica convergente. Spesso i canali di colata sono
sovradimensionati, con la conseguenza di aspirare ossidi,
scorie e soprattutto aria entro lo stampo. Per dimensionare
il canale di colata occorre fissare il rateo di riempimento
sulla base del tempo di solidificazione delle sezioni più
sottili. In base al teorema di Bernoulli un liquido
inizialmente in quiete che cade liberamente dalla quota h
- camera di riempimento: piuttosto che da un imbuto
conico, è opportuno essa sia costituita da una camera
prismatica (Figura 10.15), che consente di sedimentare
le scorie e garantisce un regime laminare all’ingresso
del canale di colata grazie all’alimentazione indiretta;
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
8
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
acquisisce la velocità v1/2 = 2gh; perciò, con
riferimento alla Figura 10.16, risulta:
- canali secondari di riempimento: per evitare flussi
turbolenti essi né devono essere in corrispondenza della
sezione terminale del canale di colata, né devono
connettersi direttamente alla cavità dello stampo, bensì
provvedere ad un’alimentazione dal basso, cosiddetta
indiretta (Figura 10.21);
v22 – v12 = 2g(h2 – h1)
poiché la portata volumetrica deve rimanere costante:
v1A1 = v2A2
- trappole/filtri per le inclusioni: per evitare l’ingresso di
inclusioni (scorie, ossidi, residui di sabbia) si usano
trappole  dross traps (Figura 10.22), che sedimentano
le scorie più dense sul fondo e  swirl traps (Figura
10.23), che, per centrifugazione, segregano al centro le
scorie meno dense prima di eliminarle. Allo stesso scopo
sono usati anche filtri, costituiti da reti di fili di acciaio o
vetro, da schiume o sinterizzati ceramici (Figura 10.24).
si ottiene:
h2/h1 = A1/A2
In pratica, il canale di colata deve essere un singolo
condotto liscio, verticale, rastremato, la cui
dimensione più importante per controllare il rateo di
colata è la sezione terminale.
La base del canale (Figura 10.17) deve evitare le
turbolenze del flusso e la contrazione della vena; a tal
fine può essere necessaria una strozzatura.
Fino a questo punto si è considerato il comportamento del
solo fuso durante il riempimento dello stampo: è però
importante conoscere anche il comportamento di
quest’ultimo durante tale fase, per evitare inconvenienti
che potrebbero generare difettosità dei getti. Quando il
metallo fuso riempie lo stampo, questo con violenza:
avvengono fenomeni di deformazione termomeccanica,
pressurizzazione, outgassing, cracking, esplosione ed
attacco chimico; essi vengono illustrati nel seguito:
Infine il canale di colata può essere esterno (Figura
10.18) o, per minimizzare gli ingombri, interno (Figura
10.19);
- canale principale di adduzione: per consentire la
tranquillizzazione del fuso, l’eliminazione delle bolle e
la sedimentazione delle scorie, esso deve prevedere il
riempimento dal basso dello stampo; la sua sezione
dovrebbe essere doppia rispetto alla sezione terminale
del canale di colata e pari alla metà della sezione dei
canali secondari di riempimento. Infine, nel caso
questi ultimi fossero multipli, il canale di adduzione
dovrebbe avere una sezione variabile a gradini (Figura
10.20);
deformazione dello stampo: essa costituisce uno dei
fenomeni più rilevanti e consiste nella sovrapposizione di
diversi effetti (Figura 10.25).
Figura 10.17 - Alcune tipologie di basi per il canale di colata. Si notino i fenomeni di turbolenza (a) e della contrazione della vena (b).
In (c), (d), (e) e (f) si mostrano gli accorgimenti per ridurre tali effetti.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
9
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
A causa dell’espansione, si possono verificare diverse
conseguenze:
- danneggiamenti dello stampo: specie per gli stampi in
sabbia, lo strato esterno, soggetto al riscaldamento diretto
del fuso, si infragilisce e cede per peeling, anche a causa
di fenomeni di fatica termica (ovvero cicli ripetuti di
riscaldamento/raffreddamento, che causano degrado
chimico/fisico e alternanza di sforzi residui di origine
termoplastica);
- deformazioni differenziali tra stampo e anima: lo stampo
possiede una massa termica molto elevata ed è in contatto
con la massa fluida solo sulla superficie interna, mentre
l’anima ha una massa termica minore ed è completamente
circondata dal metallo fuso, perciò essa si espande più
dello stampo, riducendo lo spessore della parete del getto
racchiusa tra stampo e anima;
Figura 10.18 – Canale di colata esterno.
- deformazioni differenziali tra stampo e getto: quando il
fuso riempie lo stampo il contatto tra i due è perfetto.
Figura 10.19 – Canale di colata interno.
Le conseguenze sono:
 deformazioni del getto
 aumentata esigenza di metallo fuso
Le contromisure consistono in:
 stampi più rigidi e resistenti
 alimentazione del metallo fuso potenziata
Si noti che, mentre stampi di forma semplice vanno
soggetti a espansioni termiche omogenee (Figura
10.26), stampi di forma più complessa si possono
deformare verso l’interno (zone convesse) o verso
l’esterno (zone concave) (Figura 10.27); le grandezze
responsabili di tali fenomeni sono:
Figura 10.20 - Canale di adduzione principale. Modalità non
corretta (a) e ottimale (b) di riempimento dello stampo. Si
noti la diversa forma.
 espansione termica del materiale costituente lo
stampo;
Nel periodo successivo, come mostrato in Figura 10.28, il
fuso dapprima si espande e poi si contrae a causa del
raffreddamento e della solidificazione.
 contenuto termico del fuso (tanto più è elevato,
tanto maggiore è l’espansione);
 modulo elastico del materiale del getto (tanto
più è elevato, tanto maggiore è l’espansione).
Al contrario, lo stampo si espande con continuità, in
misura dipendente dal tipo di materiale che lo costituisce,
ma comunque maggiore del getto: questo porta alla
creazione di un meato tra stampo e getto.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
10
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
- spinta idrostatica: i metalli possiedono un’elevata
densità e quindi esercitano un’elevata spinta idrostatica
sui corpi completamente immersi. Tale forza sollecita in
special modo i supporti delle anime.
Figura 10.21 – Canali secondari di riempimento di tipo
indiretto. Introduzione dal basso del fuso: laterale (a) e
centrale (b).
Figura 10.23 - Swirl traps. Condotto di entrata e uscita: (a)
tangenziali/opposti (non corretto) e (b) tangenziali/frontali
(corretto). Altezza del condotto di uscita rispetto a quello di
entrata: non corretto (c) e corretto (d).
Figura 10.22 – Drop traps. Si noti, in (a), come la forma
determini la formazione di un vortice che è il
responsabile della separazione delle scorie dal fuso. (b)
Drop traps a forma di cuneo.
pressurizzazione dovuta al fuso: il riempimento da
parte del fuso induce diverse sollecitazioni idrauliche,
che concorrono a deformare ulteriormente lo stampo:
Figura 10.24 - Tipologie di filtri per inclusioni. (a) filtro
generico (b) reti di fili di acciaio o vetro (c) schiume o
sinterizzati ceramici.
- pressione statica: il fuso esercita sulle parerti dello
stampo una pressione dipendente dalla quota e dalla
densità del metallo, espressa come:
pressurizzazione negli stampi e nelle anime: i gas
dovuti alla vaporizzazione degli additivi della sabbia
concorrono a sollecitare ulteriormente lo stampo:
ps = gh
- pressione dinamica: il flusso di metallo fuso che
riempie lo stampo esercita sulla zona d’impatto una
pressione dinamica dipendente dalla velocità del getto
e dalla densità del metallo, espressa come:
- outgassing: il riscaldamento istantaneo dovuto al
contatto con il fuso provoca l’immediata evaporazione dei
materiali volatili (leganti, lubrificanti) contenuti nel
materiale degli stampi in sabbia. La permeabilità degli
stampi consente in genere una rapida evacuazione dei gas;
al contrario le anime, completamente circondate dal fuso e
pd = V2
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
11
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
reazioni esplosive: si tratta di reazioni dovute ai gas di
reazione tra fuso e stampo o all’acqua contenuta negli
stampi stessi; in genere non sono fenomeni dirompenti
grazie alle capacità smorzanti della sabbia:
soggette ad un forte riscaldamento vanno incontro ad
un forte aumento della pressione interna;
- formazione di bolle: quando la pressione del gas
all’interno dell’anima aumenta sino a superare la
pressione del liquido che la circonda, si forma una
grossa bolla (diametro 10-100mm) che si va a situare
immediatamente sotto la superficie superiore del getto
e talvolta viene confusa con la porosità da ritiro;
- esplosioni dovute ai gas: i prodotti di reazione entro la
cavità dello stampo possono comprendere sostanze
infiammabili e esplosive, quali idrocarburi e alcoli, o
reattive, quali idrogeno e monossido di carbonio:
l’esplosione avviene solo se la sostanza infiammabile si
combina in rapporti stechiometricamente opportuni con
una sostanza ossidante, come l’ossigeno dell’aria;
- esplosioni dovute all’acqua: nelle fasi finali del
riempimento di uno stampo in sabbia, si genera un
impulso di pressione che a sua volta è responsabile di un
aumento localizzato di trasmissione di calore verso lo
stampo (e quindi della temperatura). Ciò può provocare
l’evaporazione esplosiva dell’acqua contenuta nello
stampo.
Figura 10.25 - (a) Esempio di stampo rigido per evitare
fenomeni
di
deformazione
termo
meccanica,
pressurizzazione, outgassing, cracking, esplosione ed
attacco chimico. (b) Si notino gli effetti di tali fenomeni
nei confronti di uno stampo meno rigido.
Figura 10.27 - Esempio di deformazioni, verso l’interno
(zone convesse) o verso l’esterno (zone concave), a cui è
soggetto uno stampo di forma complessa.
reazioni chimiche: sono meccanismi che alterano o
addirittura modificano la composizione chimica dello
strato superficiale a contatto tra stampo e getto:
- stampi inerti: non esistono veri e propri stampi inerti nei
confronti del metallo colato al loro interno. Ciò accade in
casi specifici, specie per basse temperature, come per le
leghe leggere colate in stampi in ghisa;
- stampi in sabbia: l’acqua ed i leganti organici che sono
contenuti nella sabbia, specie ad alta temperatura,
reagiscono con il magnesio e l’alluminio per costituire
uno strato di ossido superficiale ed idrogeno libero, il
quale diffonde entro il fuso e dà luogo all’accumulo di
micro-porosità sub-superficiali;
Figura 10.26 - Diagramma delle espansioni termiche
omogenee per stampi semplici. Per inciso, si considera
un anello.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
12
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
 decarburazione: in presenza di alte percentuali di
H2/CH4, l’idrogeno decarburizza gli acciai a
925°C; stesso risultato deriva dall’ossidazione del
carbonio con il vapore acqueo. A causa di ciò,
peggiora la macchinabilità del getto
- atmosfera all’interno dello stampo: nei casi di colata
delle leghe leggere, grazie alla bassa temperatura, in
genere si produce solo idrogeno libero in aggiunta
all’atmosfera di ossigeno e azoto, mentre la colata di
ghisa e acciaio (a temperatura più alta) entro stampi in
sabbia dà luogo ad un’atmosfera ricca in idrogeno, CO
e CO2. La tecnologia lost foam (con stampo
evaporativo in polistirene espanso) costituisce un caso
a sé. La colata delle leghe leggere a bassa temperatura
provoca solo la sublimazione del polistirene solido in
stirene gassoso. Al contrario, l’alta temperatura
intrinseca nella colata degli acciai provoca l’ulteriore
scomposizione dello stirene in metano, idrogeno e
carbonio:
quest’ultimo,
oltre
ad
ostacolare
l’avanzamento dei fronti di colata, viene solubilizzato
nell’acciaio e crea delle dannose tasche di lega a lato
carbonio. Per questo motivo la colata lost foam è
particolarmente popolare tra le leghe leggere, ma non
tra gli acciai;
 solforizzazione: tipica degli acciai colati in sabbia
legata con resine furaniche catalizzate con acido
solforico;
 fosforizzazione: tipica degli acciai colati in sabbia
legata con resine furaniche catalizzate con acido
fosforico.
- reazioni sulla superficie dello stampo: la pirolisi di
diversi tipi di leganti della sabbia porta alla formazione
di carbonio che, essendo scarsamente bagnabile da
parte del metallo liquido, si deposita sulla superficie
dello stampo, conferendo al getto una miglior finitura
superficiale. In alcuni casi, acciai contenenti stagno o
manganese vengono depauperati superficialmente in
quanto questi elementi vanno a formare ossidi del tipo
(FeO)2 o (MnO)2 con i prodotti di pirolisi dei leganti.
Infine vanno menzionate le trasformazioni a carico
della sabbia, che, in virtù del gradiente di temperatura
lungo lo spessore della parete assume diverse strutture.
E’ tipica la reazione ad alta temperatura (colata degli
acciai) della silice SiO2 con l’ossido di ferro FeO
(wusite) per produrre la fayalite Fe2SiO4.
- reazioni sulla superficie del getto: la reazione di
questo tipo più comune e più importante è la reazione
del metallo con il vapore acqueo o con gli idrocarburi,
che produce ossidi superficiali ed idrogeno (il quale
può solubilizzarsi e diffondere fino alla profondità di
10mm sotto la superficie, a formare microporosità). Lo
stesso accade nel caso i leganti della sabbia
contengano ammoniaca, la quale, ad alta temperatura,
si decompone
Figura 10.28 - Espansione differenziale tra stampo e fuso.

NH3  N + 3H
10.3 Solidificazione
e produce, oltre all’idrogeno, anche azoto libero che
incrementa la micro-porosità sub-superficiale.
U
n aspetto fondamentale delle tecniche di fusione
risiede nei fenomeni di trasmissione del calore
durante il ciclo completo di colata, solidificazione e
raffreddamento a temperatura ambiente. Il flusso di calore
tra le diverse parti del sistema è un fenomeno complesso,
che dipende da numerose grandezze legate al materiale del
getto e dello stampo, nonché ai parametri del processo:
per esempio, nelle sezioni sottili del getto, la velocità del
flusso di metallo fuso deve essere tanto elevata da
impedire solidificazioni premature, ma non così alta da
provocare turbolenze. La Figura 10.29 riporta una tipica
distribuzione
di
temperatura
all’interfaccia
 ossidazione: tipica della reazione degli acciai
con il vapore acqueo. Nel caso del magnesio
può avvenire un’ossidazione catastrofica, con
incendio del getto; per evitare l’evenienza si
aggiungono alla fusione zolfo o acido borico;
 carburazione: è tipica della colata delle leghe di
titanio e degli acciai inossidabili entro stampi in
acciaio al carbonio: la zona affetta va eliminata
con lavorazioni di macchina;
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
13
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
immediatamente dopo la colata, si forma all’interfaccia un
sottile strato di metallo solidificato, il cui spessore
aumenta attorno al fuso man mano che la solidificazione
progredisce dall’esterno verso l’interno. Il rateo di tale
processo di congelamento dipende dalle proprietà
termiche del metallo e dalla trasmissione del calore entro
lo stampo. Il metallo che forma il primo strato esterno
solidificato è stato raffreddato rapidamente a causa
dell’estrazione di calore attraverso la parete dello stampo
freddo: a causa di ciò, i grani sono fini, equi-assiali e
disposti in maniera randomatica. Man mano che il
raffreddamento prosegue, si formano ulteriori grani, i
quali crescono dall’esterno verso l’interno della massa
fusa, secondo la direzione del gradiente termico (Figura
10.31).
aria/stampo/solido/fuso. Il calore dal metallo fuso
viene trasferito allo stampo e di qui all’atmosfera
circostante.
Figura 10.29 - Diagramma della distribuzione tipica di
temperatura
in
corrispondenza
dell’interfaccia
aria/stampo/solido/fuso.
Il calo di temperatura alle interfacce aria/stampo e
stampo/metallo è dovuta alla presenza dello strato
limite, nonché al contatto imperfetto (imputabile alla
rugosità superficiale), che incrementa la superficie nel
caso
di
trasmissione
del
calore
per
convezione/irraggiamento e riduce le sezioni di
passaggio nel caso di trasmissione per conduzione.
Figura 10.30 – Diagramma di raffreddamento per un
metallo puro.
Dopo essere stato colato entro lo stampo, il metallo
fuso si raffredda e si solidifica. I principali aspetti di
tale processo sono: tempo di solidificazione,
contrazione volumetrica e solidificazione direzionale.
La solidificazione comporta la ri-trasformazione del
metallo fuso allo stato solido; il processo differisce a
seconda che si consideri un metallo puro, di una lega o
di un eutettico:
- metalli puri: solidificano ad una temperatura
costante, che coincide con il punto di congelamento,
uguale al punto di fusione; il processo si completa in
un certo intervallo di tempo, come mostrato nella
Figura 10.30 (curva di raffreddamento).
Figura 10.31 - Tipologia/distribuzione dei grani in base alla
direzione del gradiente termico.
Il congelamento vero e proprio avviene in un certo
periodo, detto tempo di solidificazione locale, durante
il quale il calore latente di fusione viene rilasciato
nello stampo circostante. Il tempo di solidificazione
totale è il periodo di tempo che intercorre tra la colata
e la completa solidificazione. Al completamento della
solidificazione, il raffreddamento prosegue secondo il
rateo indicato dalla pendenza della curva di
raffreddamento.
In
conseguenza
dell’azione
raffreddante
delle
pareti
dello
stampo,
Essi assumono la forma di aghi che si accrescono e
formano rami laterali orientati a 90°, i quali generano
ulteriori rami, orientati a loro volta a 90° (Figura 10.32): si
crea una struttura dendritica (tipica dei metalli puri, ma
anche delle leghe), che viene progressivamente riempita
durante il congelamento del metallo che continua a
depositarsi sino a completa solidificazione;
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
14
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
differenza di temperatura fra liquidus e solidus, tale
crescita dendritica dà luogo ad una zona di avanzamento
dove metallo liquido e solido coesistono: la parte solida è
costituita dalla struttura dendritica vera e propria, che
intrappola isole di metallo fuso. Questa regione mista ha
una consistenza cedevole (mushy zone): in dipendenza
delle condizioni di congelamento, può occupare solo uno
strato sottile oppure la quali totalità del materiale entro lo
stampo. Tale situazione è promossa da una bassa
conducibilità termica del metallo e/o da una elevata
differenza tra le temperature del solidus e del liquidus.
Gradualmente, le isole liquide nella matrice dendritica si
solidificano quando la temperatura del getto scende sotto
quella del solidus per la lega specifica. Un ulteriore fattore
di complicazione dipende dalla composizione dei dentriti,
che sono ricchi degli alliganti a più alta temperatura di
fusione. Man mano che la solidificazione progredisce, si
verifica uno sbilanciamento crescente tra la composizione
chimica del materiale già solidificato e di quello ancora
liquido: per la lega completamente solidificata ciò
comporta segregazioni, che possono essere microscopiche
o macroscopiche:
 segregazione microscopica: la composizione
chimica varia all’interno di ogni singolo grano
perché gli aghi dendritici hanno una certa
composizione, poi si ramificano usando lega con
composizione diversa ed infine inglobano le
residue isole di lega fusa, di composizione
ulteriormente diversa;
Figura 10.32 - Struttura dendritica tipica dei metalli fusi
e di alcune leghe.
- leghe: la gran parte delle leghe non congela ad una
precisa temperatura, bensì in un range di temperature,
la cui estensione dipende dalla composizione della
lega stessa. Si considerino ad esempio il diagramma di
fase e la curva di raffreddamento di una certa lega,
riportati in Figura 10.33. Al diminuire della
temperatura, il congelamento inizia alla temperatura di
liquidus e si completa alla temperatura di solidus. Così
come per i metalli puri, si crea uno strato solido al
contatto con la parete dello stampo a causa del forte
gradiente termico; poi la struttura dendritica cresce
allontanandosi dalla parete, ma, a causa della
 segregazione macroscopica: la composizione
chimica varia su tutto il volume del getto perché lo
strato corticale, che si congela per primo, è ricco di
alliganti alto-fondenti, di cui viene deprivata la
rimanente parte del getto; in questo caso la sezione
ha l’aspetto mostrato in Figura 10.34.
Figura 10.33 - Diagramma di fase (a) e curva di raffreddamento (b) di una lega.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
15
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
La costante dello stampo Cm, il cui valore viene
determinato in base a prove sperimentali, dipende da:
 materiale dello stampo
conducibilità termica);
(calore
specifico,
 proprietà termiche del metallo fuso (calore
specifico, conducibilità termica, calore latente di
fusione);
 temperatura di colata rispetto alla temperatura di
fusione del metallo.
Dalla relazione di Chvorinov si evince che tanto più è
elevato il rapporto volume/superficie esterna, tanto più il
getto si raffredda e solidifica lentamente. Questo dato di
fatto viene tenuto in conto quando si progettano i canali di
efflusso e di colata (e quindi le materozze1) di un getto.
Infatti, per svolgere correttamente la propria funzione di
alimentazione della cavità principale, il canale di colata
deve mantenere al suo interno il metallo fuso più a lungo
di quanto non accada entro il getto, ovvero:
Figura 10.34 - Tipologia/distribuzione dei grani a
seguito di un fenomeno di segregazione macroscopica
per una lega.
Non vanno altresì dimenticati altri tipi di segregazione
e difettosità, quali:
TTS (canale di colata) > TTS (getto)
poiché Cm è il medesimo per il canale di colata e per il
getto, dovrà quindi risultare:
 segregazione per gravità: la lega liquida che
rimane intrappolata entro la struttura dendritica
ha una composizione variabile in dipendenza
della temperatura e si muove sotto l’azione
della gravità, cosicché le fasi meno dense
tendono a galleggiare, quelle più dense a
precipitare. Per evitare questo fenomeno è
opportuno ridurre il tempo di solidificazione;
(V/A) (canale di colata) > (V/A) (getto)
Le materozze rappresentano materiale di sfrido, che dovrà
essere separato dal getto e ri-fuso per colate successive:
per questo motivo, è opportuno che il loro volume sia
minimo. Poiché la geometria dei canali di colata è
generalmente progettata per massimizzare il rapporto V/A,
ne discende che il volume debba essere ridotto il più
possibile. Un buon progetto può portare a canali di colata
di volume pari al 10-20% del volume del getto, con tempi
di solidificazione del 15-25% più lunghi. Come mostrato
nel paragrafo dedicato al riempimento, i canali di colata
possono essere posti in alto o lateralmente (soluzione
preferibile), aperti o chiusi (soluzione preferibile);
 porosità sub-superficiale: dovuta a reazioni
chimiche che si producono all’interfaccia tra
stampo e metallo fuso, generano gas il quale
rimane intrappolato sotto forma di bolle (microporosità) poste immediatamente al di sotto della
superficie del getto solidificato.
- eutettici: essi costituiscono un’eccezione, in quanto
rappresentano quelle leghe di composizione particolare
per cui le temperature di solidus e liquidus coincidono.
Perciò la solidificazione avviene, come per i metalli
puri, a temperatura costante anziché entro un range di
temperature come per le leghe.
contrazione volumetrica – dipende dalla variazione di
temperatura (Figura 10.35) ed avviene in tre momenti
mostrati in Figura 10.36, che si riferisce alla colata per
gravità di un getto cilindrico in uno stampo aperto:
1) contrazione del liquido durante il raffreddamento,
prima della solidificazione
tempo di solidificazione – come detto, il tempo totale
di solidificazione è il tempo che intercorre tra la colata
e la completa solidificazione. Esso dipende dalle
dimensioni e dalla forma del getto secondo la relazione
empirica di Chvorinov:
2) contrazione durante la trasformazione di fase da
liquido a solido, detta contrazione di
solidificazione;
3) contrazione termica del getto solidificato durante il
raffreddamento sino a temperatura ambiente.
TTS = Cm(V/A)n
ove:
TTS = tempo totale di solidificazione
Cm = costante dello stampo
1
Le materozze sono le porzioni di materiale che rimangono, a
solidificazione completata, entro i canali di colata; questi ultimi hanno il
compito di alimentare la cavità dello stampo con metallo fuso durante la
solidificazione, per compensare la contrazione volumetrica, raccogliendo
allo stesso tempo sulla propria superficie gli ossidi e le impurità. La loro
presenza è necessaria per dimostrare il completo e corretto riempimento
dello stampo.
V = volume del getto
A = area della superficie esterna del getto
n = costante, generalmente posta uguale a 2
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
16
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
dipende dal coefficiente di dilatazione termica del metallo
solido, che in questo caso si considera con il segno
negativo. La Tabella 10.1 riassume i valori tipici di
contrazione volumetrica per alcuni metalli da colata,
limitatamente alla contrazione di solidificazione 2) e alla
contrazione allo stato solido 3). La contrazione di
solidificazione avviene in quasi tutti i metalli, poiché la
fase solida ha densità maggiore rispetto alla fase liquida;
infatti la trasformazione di fase che accompagna la
solidificazione causa la riduzione del volume per unità di
massa del metallo.
La contrazione 1) del metallo liquido durante il
raffreddamento dalla temperatura di colata a quella di
congelamento causa la riduzione dell’altezza del
liquido rispetto al livello iniziale; il valore di tale
contrazione si aggira usualmente attorno allo 0,5%. La
contrazione di solidificazione 2) ha un duplice effetto:
in primo luogo essa provoca un’ulteriore riduzione del
livello del liquido. In secondo luogo la quantità di
metallo fuso disponibile per alimentare la parte
centrale superiore del getto si riduce; poiché in genere
tale zona è l’ultima a solidificare, la carenza di
materiale crea un vuoto proprio in questa posizione.
L’unica eccezione riportata in Tabella 10.1 è costituita
dalla ghisa ad alto contenuto di carbonio, che, per altro,
non è di interesse aerospaziale.
Tabella 10.1 - Valori tipici di contrazione volumetrica per
alcuni metalli da colata.
La contrazione dovuta alla solidificazione viene tenuta in
conto sovradimensionando la cavità dello stampo,
ricordando che la contrazione è volumetrica mentre le
dimensioni dello stampo sono espresse linearmente. A
questo fine, la cavità viene disegnata utilizzando scale
“false”, aumentate cioè dell’1-5% in dipendenza del
metallo che si intende utilizzare.
Figura 10.35 - Esempio di diagramma di contrazione
volumetrica in funzione della temperatura.
solidificazione direzionale – per limitare gli effetti
deleteri della contrazione, è preferibile che le zone del
getto più lontane dai canali di colata congelino per prime e
che la solidificazione progredisca poi da tali regioni verso
il punto di alimentazione; in tal modo il metallo fuso è
continuamente disponibile ed è possibile evitare la
creazione di vuoti da solidificazione. Questi risultati si
ottengono mettendo in atto una tecnica di solidificazione
direzionale, la quale presuppone:
 l’applicazione della relazione di Chvorinov nella
progettazione del getto;
 l’opportuna orientazione del getto entro lo stampo;
 l’accurato progetto dei canali e del sistema di
alimentazione.
Figura 10.36 - Fasi della contrazione volumetrica di un
getto cilindrico. Per inciso, lo stesso è ottenuto per colata
per gravità
Per esempio, posizionando le sezioni del getto a più basso
valore di V/A il più lontano possibile dai canali di
alimentazione, esse congelano per prime, permettendo al
canale di fornire metallo fuso fino alla completa
solidificazione anche delle sezioni più massicce.
Una volta solidificato 3), il getto subisce un’ulteriore
riduzione di altezza e diametro; tale contrazione
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
17
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
 attendere la solidificazione;
Un’ulteriore tecnica per promuovere la solidificazione
direzionale consiste nell’utilizzo dei già citati pozzi di
calore, che inducono una repentina solidificazione di
parti localizzate; essi possono essere:
 rompere ed eliminare lo stampo;
 rimuovere e liberare il getto:
 interni: sono piccole porzioni di materiale
simile a quello del getto, che vengono
preliminarmente posizionate all’interno della
cavità e promuovono la solidificazione in-situ;
Gli aspetti salienti della tecnica sono trattati di seguito:
sabbia – viene utilizzata in virtù della sua elevata
resistenza ad alta temperatura; può essere naturale (SiO2)
o sintetica. Quest’ultima viene usata più spesso perché la
sua composizione può essere più facilmente controllata. In
genere essa viene additivata con argilla per aumentarne la
coesività, zirconia, olivina e silicato di ferro per ridurre
l’espansione termica, cromite per migliorare la
conducibilità termica. In generale, sabbia di granulometria
fine conferisce miglior finitura al getto e maggior
resistenza allo stampo (perché può venir meglio
compattata), ma ne riduce la permeabilità ai gas. Esistono
diversi modi di utilizzo della sabbia:
 esterni: sono inserti metallici che vengono
inseriti nelle pareti degli stampi in sabbia e,
grazie alla propria maggior capacità di estrarre
calore, localizzano la solidificazione.
Così come è importante promuovere la solidificazione
lontano dai canali di alimentazione, è allo stesso modo
necessario evitare la solidificazione in prossimità degli
stessi, tramite l’opportuno progetto dei canali
secondari di riempimento (cfr. paragrafo sul
riempimento), che devono essere limitati in lunghezza
e di sezione generosa, onde beneficiare del flusso
termico sia dal canale principale di adduzione, sia
dalla cavità principale del getto.
 green sand mould: la sabbia additivata con argilla è
mantenuta ad una certa percentuale di umidità
(70% sabbia, 7% argilla, 3% acqua) durante la
colata: è il metodo più economico;
 dry sand mould: la sabbia è asciugata (200-320 °C)
per conferire maggior resistenza allo stampo;
 skin-dried: la sabbia viene riscaldata ed asciugata
superficialmente (10-25mm): lo stampo diventa più
resistente, ma può dar luogo a distorsioni;
10.4 Colata in sabbia
T
radizionalmente, le tecniche di colata si
suddividono in tecniche con stampo temporaneo
(sabbia, gesso, ceramica), nelle quali lo stampo viene
distrutto per estrarre il getto e tecniche con stampo
permanente (metallo), nelle quali lo stampo viene
riutilizzato molte volte. E’ evidente come, da un punto
di vista tecnico-economico, le prime tecnologie siano
adatte alla produzione prototipistica o di piccole serie,
le seconde alla produzione in grande serie. Fra le
tecniche con stampo temporaneo, la colata in sabbia
costituisce la metodologia più antica ed ancora oggi
più usata. Essa consiste nei seguenti passi:
 cold-box: la sabbia viene additivata con leganti
chimici: lo stampo garantisce miglior accuratezza
dimensionale, ma maggior costo;
 no-bake: la sabbia è additivata con resine che
reticolano a temperature ambiente; stessi pro
contro della tecnica cold-box.
modelli – essi hanno la forma del getto e consentono di
creare la cavità all’interno dello stampo; possono essere
realizzati in legno, polimero, metallo (Tabella 10.2) in
base al numero atteso di utilizzi (tenendo conti dei
problemi di usura, degrado e distorsione). In genere essi
sono dotati di un opportuno angolo di spoglia e sono
ricoperti di un agente distaccante per facilitarne
l’estrazione dalla sabbia una volta creata la cavità.
 posizionare nella sabbia un modello con forma
del getto, per creare lo stampo con una cavità;
 creare un sistema di riempimento;
 riempire la cavità con il metallo fuso;
Tabella 10.2 - Caratteristiche dei materiali usati per i modelli.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
18
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
migliore qualità e maggior ripetibilità vengono invece
utilizzate procedure automatizzate, alcune delle quali sono
mostrate in Figura 10.38. Altre tecniche comportano la
compattazione per mezzo di:
Possono essere costituiti da una o più parti a seconda
della complessità della cavità che si vuole ottenere.
Oggigiorno essi sono spesso realizzati con le tecniche
di prototipazione rapida (cfr. Cap.54)
 vapore ad alta pressione;
anime – esse devono essere utilizzate nel caso in cui il
getto presenti delle cavità; esse vengono posizionate
entro lo stampo, rimangono in posizione durante la
colata e vengono rimosse a solidificazione completata;
normalmente sono realizzate con lo stesso materiale e
con le stesse tecniche dello stampo. Esse vengono
collegate allo stampo stesso inserendole in opportuni
recessi (core prints) ed ulteriormente vincolate tramite
opportuni supporti (chaplets), mostrati in Figura 10.37;
 onde di compressione dovute
controllata di miscele gassose;
all’esplosione
 vuoto (V process): il modello è ricoperto da un film
polimerico impermeabile; la superficie superiore
del contenitore della sabbia è chiusa con lo stesso
film; il contenitore è collegato ad un impianto a
vuoto; si applica la depressione che compatta la
sabbia e le imprime la forma del modello;
stampi – il metodo classico per la realizzazione degli
stampi consiste nella compattazione manuale della
sabbia attorno al modello. Oggigiorno, per garantire
Figura 10.37 - Metodi per il posizionamento delle anime. A sinistra l’anima si fissa esclusivamente tramite i core prints. A destra, si
utilizzano sia i core prints sia i chaplets.
Figura 10.38 - Procedure automatizzate per la realizzazione degli stampi.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
19
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Figura 10.39 – Colata in sabbia.
canali di riempimento e di efflusso vengono rimossi;
procedura – la procedura della colata in sabbia è
illustrata dalla sequenza di Figura 10.39, relativa alla
produzione di raccordo flangiato per una tubazione
idraulica:
il modello viene posizionato all’interno della parte
inferiore del contenitore della sabbia;
la sabbia viene compattata ed il modello viene
rimosso, lasciando la cavità complementare;
il punto di partenza è costituito dal disegno del
componente e relativo file CAD, che tengano conto
della contrazione volumetrica e degli angoli di
spoglia;
l’anima viene posizionata all’interno della cavità
complementare;
le parti superiore ed inferiore del contenitore della
sabbia vengono assiemate con precisione grazie alle
spine di centraggio e mantenute solidali per resistere
alla spinta idrostatica Si del metallo fuso, data da (Pm –
Pa), dove Pm è il peso del metallo, Pa il peso
dell’anima;
tramite il file CAD viene prodotta la metà
superiore del modello (per rapid prototyping);
tramite il file CAD viene prodotta la metà inferiore
del modello (per rapid prototyping);
tramite il file CAD si producono gli stampi (in
negativo) dell’anima;
viene effettuata la colata; a raffreddamento avvenuto
lo stampo viene distrutto ed il getto estratto;
si collegano le due metà dell’anima (in sabbia)
prodotte con tali stampi;
viene estratta l’anima, tolti meccanicamente i residui
dei canali di riempimento e di efflusso, eliminate le
bave di colata tramite sabbiatura.
nella parte superiore del contenitore della sabbia
vengono posizionati i modelli dei canali di
riempimento e dei canali di efflusso dell’aria, che
verranno parzialmente riempiti dal metallo fuso a
formare la materozze;
A conclusione di questo iter, possono essere riparati
eventuali piccoli difetti superficiali tramite materiale
riportato per saldatura e vengono infine effettuati i
trattamenti termici per eliminare gli sforzi residui.
la parte superiore del contenitore viene riempita
dalla sabbia, che viene compattata; i modelli dei
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
20
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Tabella 10.3 – Caratteristiche di un getto colato in sabbia.
colata con stampo a guscio – si tratta di una tecnica che
consente di ottenere a basso costo getti di buona
accuratezza dimensionale e bassa rugosità superficiale.
Come mostrato in Figura 10.40, viene realizzato uno
stampo metallico, ricoperto di distaccante siliconico,
riscaldato a 175-370 °C e poi fissato all’interno di un
contenitore parzialmente riempito con sabbia additivata
con 3-4% di legante polimerico.
In Tabella 10.3 vengono confrontate le caratteristiche
di un getto colato in sabbia con quelle ottenibili
tramite altre tecnologie. L’accuratezza dimensionale
può non essere ottimale, così come la rugosità
superficiale, che comunque dipende dal materiale dello
stampo. Ad ogni modo, la colata in sabbia consente la
realizzazione di pezzi anche molto intricati, in piccola
serie, a costi contenuti.
10.5 Altri
processi
temporaneo
con
Il contenitore viene ruotato affinché la sabbia ricopra il
modello. Una successiva permanenza in forno consente la
solidificazione di un guscio di spessore controllato (5-10
mm), che viene poi separato dal modello.
stampo
In genere si realizzano due semi-gusci, che vengono poi
incollati assieme e dotati di fori di drenaggio, in
considerazione della bassa permeabilità del guscio.
Quest’ultimo viene supportato esternamente da sabbia. Il
getto che si ottiene può avere forma intricata e bassi
spessori di parete. Inoltre la buona accuratezza
dimensionale e la bassa rugosità superficiale riducono la
necessità
di
finitura
alla
macchina
utensile.
L
a tecnica di colata entro uno stampo distruggibile
(o temporaneo), che ha la sua espressione più
tradizionale nella colata in sabbia, ha dato luogo ad
una serie di tecnologie più sofisticate, che ne
conservano gli aspetti positivi, eliminandone gli
inconvenienti; qui di seguito ne vengono illustrate le
principali:
Figura 10.40 – Colata con stampo a guscio.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
21
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Figura 10.41 – Colata con stampo evaporativo.
 il modello in polistirene ricoperto dal guscio
ceramico è posto in un contenitore riempito di
sabbia asciutta, collegato ad un impianto a vuoto;
In casi particolari, questa tecnica può far uso di:
 gusci compositi, costituiti da diverse parti
realizzate in sabbia o gesso o metallo o grafite;
 il metallo fuso viene colato direttamente nel guscio
ceramico senza rimuovere il modello; il polistirene
sublima, e produce stirene gassoso, che è aspirato
dall’impianto a vuoto attraverso la sabbia.
 gusci in sabbia additivata con silicato di sodio,
solidificata in atmosfera di anidride carbonica;
 gusci in grafite, quando si debbano colare
metalli (titanio) reattivi con la sabbia silicea;
La velocità del flusso del metallo fuso dipende dalla
velocità dei degradazione del polistirene, ma il regime
rimane laminare (Re = 400-3000).
colata con stampo evaporativo – questo è un processo
diventato molto comune, specie per le fusioni delle
leghe d’alluminio nell’industria motoristica. Le fasi
sono dettagliate qui di seguito (cfr. anche Figura
10.41):
Il calore latente di sublimazione comporta però un forte
raffreddamento all’interfaccia metallo/polimero, che
riduce la fluidità del fuso ed influisce sulla microstruttura
finale. Il processo presenta numerosi vantaggi:
 perle di polistirene vengono poste entro uno
stampo metallico riscaldato, avente una cavità
di forma corrispondente al modello di colata;
 semplicità, per l’assenza di canali di riempimento
ed efflusso;
 le perle si espandono e si fondono; una volta
raffreddato lo stampo, si estrae il modello;
modelli di forma complessa possono essere
costituiti da diverse parti incollate;
 basso costo del modello in polistirene e del
contenitore della sabbia;
 getti quasi net-shape (necessitano di minime
lavorazioni di finitura);
 il modello viene immerso in una soluzione
acquosa di ceramica, in maniera che si ricopra
di un guscio sottile, che viene poi solidificato in
forno;
 facilmente automatizzabile
produzione di grande serie;
ed
adatto
alla
Figura 10.42 – Colata con stampo in ceramica.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
22
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
a) cera sintetica viene iniettata entro la cavità di uno
stampo metallico per ottenere un modello avente la
forma del getto da ottenere;
colata con stampo in gesso – lo stampo è costituito da
un impasto liquido di gesso, talco, polvere di silice e
acqua, che viene versato sul modello (in alluminio,
ottone o zinco, ma non in legno); poi il modello viene
rimosso; lo stampo viene dapprima lasciato
consolidare e poi asciugato in forno a 120-260 °C. Lo
stampo possiede bassissima permeabilità (quindi la
colata va effettuata in vuoto) e ridotta resistenza
termica (max. temperatura 1200 °C), perciò questa
tecnica è adatta alla colata delle leghe di alluminio,
magnesio e zinco. Per contro i getti così ottenuti hanno
buona precisione e finitura superficiale, possono avere
parete sottile (fino a 1-2,5mm) e, in virtù della bassa
conducibilità termica del gesso, microstruttura
omogenea, conseguente al lento raffreddamento;
b) al consolidamento, il modello viene estratto e
l’operazione (che ha tempo ciclo molto breve) viene
ripetuta;
c) i modelli in cera così ottenuti vengono uniti ad
uno stelo pure in cera, in modo da ottenere un
grappolo;
d) il grappolo viene immerso in un impasto liquido
di materiale refrattario, per ottenere in sottile strato
superficiale;
e) il grappolo con lo strato di refrattario viene
ricoperto da stucco in polvere per aumentarne lo
spessore;
colata con stampo in ceramica – è un processo simile
al precedente (Figura 10.42), eccezion fatta per
l’impasto di partenza, che, essendo costituito da
zirconia ZrSiO2, alumina Al2O3 e silice SiO2, dà luogo
ad un materiale refrattario adatto alla colata di metalli
alto-fondenti. Dopo solidificazione lo stampo è
rimosso, asciugato e consolidato in forno. Per
conferire maggior resistenza al guscio ceramico,
sovente esso è collegato a strutture di supporto in
materiale refrattario.
f) si ottiene il guscio, non ancora consolidato ed
ancora contenente i modelli in cera;
g) il guscio refrattario viene dapprima riscaldato a
90-175 °C in posizione invertita per 12 ore per fondere
e evacuare la cera, poi consolidato in forno a 650-1050
°C per 4 ore;
h)
il metallo fuso viene colato entro il guscio;
i)
al consolidamento, il guscio viene distrutto per
azione meccanica, vibrazioni o ultrasuoni;
Il processo produce getti accurati dimensionalmente e
di bassa rugosità, anche di grandi dimensioni, ma a
costi elevati;
j) al termine dell’operazione si ottengono getti di
ottima accuratezza e rugosità, forma intricata, parete
sottile, tutti uguali fra loro ed identici al modello di
partenza.
colata in cera persa (microfusione) – si tratta di un
processo già usato dagli scultori rinascimentali, la cui
sequenza operativa (Figura 10.43) è dettagliata di
seguito:
Figura 10.43 – Colata in cera persa (microfusione).
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
23
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
estremamente intricate e le pareti estremamente sottili,
poiché il guscio ceramico durante la colata può essere
mantenuto in forno per il tempo necessario alla
temperatura di super-heating, che minimizza la fluidità e
massimizza la colabilità. È una tecnica adatta alle
produzioni di grande serie.
Il procedimento è adatto a tutti i tipi di metallo e di
lega, può produrre getti del peso da 1g a 1000 kg (in
tal caso il guscio deve essere supportato esternamente
da sabbia, entro un opportuno contenitore
depressurizzato)
le
forme
possono
essere
estremamente intricate e le pareti estremamente sottili,
poiché il guscio ceramico durante la colata può essere
mantenuto in forno per il tempo necessario alla
temperatura di super-heating, che minimizza la fluidità
e massimizza la colabiltà. E’ una tecnica adatta alle
produzioni di grande serie.
colata in vuoto – è un processo alternativo alla microfusione ed è particolarmente adatto per getti di forma
intricata, di parete sottile (fino a 0,5 mm), di massa
fino a 75 kg, in acciaio legato o inossidabile, metalli
reattivi (alluminio, titanio, zirconio e afnio),
superleghe.
Come mostrato in Figura 10.44, viene realizzato uno
stampo in sabbia e uretano, solidificato su modello
metallico con vapori amminici. Tale stampo è
parzialmente immerso nel bagno di metallo (in aria 
processo CLA o in vuoto  processo CLV), mantenuto
fuso a 55 °C sopra la temperatura di liquidus in un
forno ad induzione. La depressione (0.6 bar) ne
provoca il riempimento; dopo la solidificazione, che
avviene in una frazione di secondo, lo stampo viene
ritirato ed il getto rimosso.
Figura 10.44 - Colata in vuoto.
10.6 Colata in conchiglia
T
utte le tecniche di colata con stampo temporaneo non
sono economicamente convenienti in caso di grandi
serie produttive; inoltre esse possono presentare
caratteristiche inadeguate in termini di ripetibilità,
accuratezza dimensionale e finitura superficiale. Per
questo motivo trovano sempre più sovente applicazione le
tecniche di colata con stampo permanente, prima fra tutte
la colata in conchiglia.
Il procedimento è adatto a tutti i tipi di metallo e di
lega, può produrre getti del peso da 1g a 1000kg (in tal
caso il guscio deve essere supportato esternamente da
sabbia,
entro
un
opportuno
contenitore
depressurizzato),
le
forme
possono
essere
Figura 10.45 – Colata in conchiglia.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
24
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
processi più sofisticati, i principali dei quali sono nel
seguito illustrati:
La conchiglia è costituita da due metà, progettate per
potersi aprire e richiudere, facilmente, così da formare
all’interno una cavità completa di canali di
riempimento ed efflusso. Esse sono lavorate di
macchina in modo da garantire ottima precisione di
forma e dimensioni ed una buona finitura superficiale.
Per le colate di leghe d’alluminio, rame e magnesio le
conchiglie sono in ghisa, per le colate in ghisa sono in
acciaio, per le colate in acciaio sono in metalli
refrattari. Le anime possono essere metalliche o, in
caso di difficoltà di rimozione, in sabbia: in tal caso si
parla di stampo semipermanente.
colata a bassa pressione – contrariamente a quanto
accade nella colata per gravità, questa tecnica prevede il
riempimento dello stampo dal basso, grazie ad una bassa
pressione di circa 0,1 MPa, come mostrato nella Figura
10.46.
I passi di una colata in conchiglia sono illustrati in
Figura 10.45:
1) lo stampo viene pre-riscaldato (150-200 °C)
per facilitare il flusso lungo i canali di colata e la
superficie viene ricoperta con uno strato di grafite a
scopo di barriera termica e di lubrificazione per
facilitare la sformatura del getto;
2)
l’anima viene inserita e lo stampo viene
chiuso;
3)
viene effettuata la colata per gravita;
4)
dopo la solidificazione lo stampo viene
aperto;
5)
il getto viene sformato con eiettori pneumatici
o idraulici prima del verificarsi di
apprezzabili contrazioni, per evitare la nascita
di cricche.
Figura 10.46 - Colata in bassa pressione.
Così facendo, viene utilizzata solo la porzione più centrale
del volume di metallo fuso, evitando inclusioni,
ossidazioni e porosità,
colata ad alta pressione – questa tecnica consiste nel
riempire lo stampo con metallo ad alta pressione (7-350
MPa) in maniera da ottenere getti di forma intricata, con
pareti sottili e con microstruttura omogenea e priva di
porosità, dato che la pressione viene mantenuta durante
tutta la fase di solidificazione.
La tecnica è facilmente automatizzabile ed è adatta alla
produzione in serie. Inoltre la rapida solidificazione
comporta una struttura cristallina più fine e quindi
metalli più resistenti e tenaci. D’altra parte, in genere
la tecnica è limitata a getti di massa limitata (circa 25
kg) realizzati con metalli basso-fondenti. Infine, a
causa della necessità di sformatura, non si possono
produrre forme complicate con sotto-squadri. Nel caso
di getti cavi, è possibile evitare l’utilizzo di anime
adottando la tecnica dello slush casting. E’ noto che,
entro uno stampo, il fuso si solidifica prima nella zona
corticale a contatto con le pareti, formando uno strato
che si ispessisce progressivamente.
Gli stampi sono realizzati in acciai maraging o in metalli
refrattari; essi devono essere dotati di fori di drenaggio e
di eiettori per la formatura del getto; possono recare una
cavità singola o cavità multiple. I vantaggi della
pressofusione sono:
 alti ratei produttivi
 tolleranze dimensionali strette (+/0,075mm)
 buona finitura superficiale
 possibilità di realizzare pareti sottili (0,5mm)
 microstruttura fine  rapida solidificazione
Applicando questa tecnica, dopo un certo lasso di
tempo, la conchiglia viene capovolta, il residuo
metallo ancora fuso viene evacuato e la conchiglia
aperta. La metodologia è adatta a metalli bassofondenti, per manufatti il cui spessore non è critico ai
fini del dimensionamento.
10.7 Altri
processi
permanente
con
Il processo è condotto, utilizzando presse orizzontali in
grado di mantenere chiuse le due metà dello stampo
durante l’iniezione del metallo, secondo due differenti
metodologie:
- in camera calda (Figura 10.47): il metallo è fuso in una
camera a parte e iniettato nello stampo da un pistone
tuffante alla pressione di 7-35 MPa. Il funzionamento
dell’impianto è particolarmente critico, in quanto deve
funzionare in parziale immersione. Per questo, la tecnica è
limitata ai metalli basso-fondenti. I ratei produttivi
sovente possono raggiungere i 500 pezzi/ora.
stampo
L
a tecnica di colata in conchiglia nel tempo è stata
ottimizzata, portando allo sviluppo di una serie di
- in camera fredda (Figura 10.48): in questo caso il
metallo fuso è versato in una camera non riscaldata e
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
25
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
fuso e lo distribuiscono nelle cavità dello stampo. Vi sono
tre diverse tecniche:
iniettato nello stampo da un pistone alla pressione di
14-140 MPa. Il rateo produttivo è inferiore rispetto all
processo in camera calda, ma la tecnica può essere
estesa dai metalli basso-fondenti anche all’alluminio
ed al magnesio;
- colata centrifuga (Figura 10.49): il metallo fuso è colato
in uno stampo orizzontale rotante, in modo da produrre
manufatti tubolari (tubi, boccole, anelli). La rotazione può
iniziare contemporaneamente alla colata oppure alla sua
conclusione.
colata centrifuga – si tratta di un processo ove le forze
d’inerzia dovute alla rotazione pressurizzano il metallo
Figura 10.47 - Colata ad alta pressione: camera calda.
Figura 10.48 - Colata ad alta pressione: camera fredda.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
26
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Figura 10.49 – Colata centrifuga.
tramite una lavorazione alla macchina utensile (ruote e
pulegge); si possono usare anche stampi temporanei;
Grazie alle elevate forze d’inerzia la forma esterna del
manufatto sposa perfettamente quella dello stampo
(circolare, ottagonale, esagonale), la forma interna è
circolare e lo spessore uniforme. Per calcolare il
regime di rotazione necessario, si scrive:
- induction skull melting – ISM (Figura 10.51): lo stampo
è disegnato in maniera tale che le cavità da riempire siano
poste lontane dall’asse di rotazione e non rechino porosità
o inclusioni; l’assialsimmetria del getto non è richiesta; la
tecnica è particolarmente adatta a parti di piccole
dimensioni, disposte a raggiera (per esempio valvole di
motori a ciclo Otto o Diesel);
F = mv2/R
dove:
F = forza centrifuga
m = massa del metallo fuso
v = velocità periferica
R = raggio interno dello stampo
essendo la forza di gravità pari al peso W:
W = mg
ove g è l’accelerazione di gravità, il rapporto GF tra la
forza centrifuga ed il peso vale:
GF = mv2/Rmg = v2/Rg
poiché, essendo N la velocità di rotazione, la velocità v
può essere espressa come:
v = 2RN/60 = RN/30
Figura 10.50 – Colata semicentrifuga.
sostituendo risulta:
GF = [R(N/30)2]/g
Risolvendo in termini di velocità di rotazione N e
usando il diametro interno dello stampo D risulta:
N = 30/ [(2gGF)/D]1/2
Se il valore di GF è troppo basso, il metallo non riesce
a rimanere aderente alla metà superiore dello stampo:
si verifica uno scorrimento tra metallo e stampo,
poiché la velocità di rotazione di quest’ultimo è
maggiore. In base a considerazioni empiriche, valori
accettabili di GF sono compresi tra 60 ed 80;
- colata semicentrifuga (Figura 10.50): le forze
d’inerzia sono sfruttate per ottenere getti solidi e non
tubolari; il regime di rotazione porta ad accelerazioni
di circa 15g; poiché la densità del materiale nella parte
centrale è minore rispetto a quella più esterna a causa
di porosità, la tecnica è adatta a produrre manufatti il
cui centro deve essere asportato in un secondo tempo
Figura 10.51 - Induction skull melting.
squeeze casting e semisolid metal forming – si tratta di
due tecnologie che consistono nella combinazione della
colata e della forgiatura (cfr. Cap.11):
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
27
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Figura 10.52 - Squeeze casting o liquid metal forging.
la base dello stampo è collegata ad una piastra raffreddata
ad acqua (pozzo di calore); dopo che la lega è stata colata,
tale piastra viene abbassata lentamente: i cristalli iniziano
a accrescersi dalla superficie di contatto con la piastra di
raffreddamento, con una forma di grani colonnari. La
struttura è direzionale, essendo costituita solo da grani
longitudinali e non trasversali: resiste meglio alla forza
centrifuga ( creep e fatica) applicata alla paletta
- squeeze casting (Figura 10.52): detto anche liquid
metal forging, consiste nella solidificazione del
metallo fuso sotto alta pressione. L’impianto
comprende una pressa, uno stampo, un punzone e degli
eiettori. La pressione mantiene in soluzione i gas
disciolti, mentre la rapida solidificazione conferisce al
getto una micro-struttura fine. Le pressioni applicate
sono inferiori a quelle tipiche della pressofusione in
camera calda. Possono essere trattate sia le leghe
ferrose che non-ferrose per produrre getti quasi netshape, di forma complessa e con buona finitura
superficiale;
- struttura monocristallina b-c): la paletta viene colata con
un sistema identico a quello del caso precedente; la sola
differenza consiste nel fatto che lo stampo, dopo la prima
zona a contatto con la piastra di raffreddamento presenta
un restringimento a forma di cavatappi, la cui sezione è
tanto ridotta da consentire il passaggio di un solo cristallo
(quello orientato più favorevolmente) tra le strutture
colonnari che si sono create all’interfaccia. Abbassando
con rateo lento e controllato la piastra, tale monocristallo
si accresce all’interno dello stampo e dà luogo ad una
struttura priva di superfici di bordo grano, caratterizzata
perciò da eccellente resistenza al creep ed alla fatica
termomeccanica;
- semisolid metal forming: all’interno dello stampo il
metallo/lega possiede una fine struttura non-dendritica,
all’incirca sferica. Inoltre esibisce un comportamento
tissotropico (ovvero la sua viscosità diminuisce
quando viene agitato)  per questo il processo viene
anche chiamato thixoforming. Il processo combina la
colata e la forgiatura, utilizzando billette che vengono
forgiate quando sono per 30-40% allo stato di liquidus.
In questo modo, vengono prodotti manufatti in
magnesio in impianti che combinano il processo di
pressofusione e lo stampaggio per iniezione dei
polimeri. Un’altra tecnica dello stesso tipo è il
rheocasting, nel quale in un mixer viene prodotto un
impasto liquido di metallo, inviato poi ad un impianto
di pressofusione;
single crystal – le caratteristiche dei metalli a struttura
monocristallina sono state trattate nel Cap.9. Qui di
seguito ne viene illustrato il processo tecnologico di
produzione, riferendosi ad un caso tipico, quello delle
palette di turbina, generalmente realizzate in superlega
nickel-cobalto. Le tecnologie di produzione delle
palette sono riassunte in Figura 10.53:
Figura 10.53 - Tecnologie di produzione delle palette. (a)
struttura direzionale (b) e (c) struttura monocristallina.
- colata convenzionale: la paletta viene colata in uno
stampo ceramico. La lega comincia a solidificare e dà
luogo ad una struttura policristallina. La presenza delle
superfici di bordo grano rende la paletta suscettibile di
cedimenti per fatica e per scorrimento viscoso a causa
della sollecitazione centrifuga e dell’alta temperatura;
rapid solidification – le leghe metalliche amorfe, o vetri
metallici, mostrano proprietà particolari, descritte nel
Cap.9. Esse sono prodotte per rapid solidification, ovvero
raffreddando il metallo fuso con ratei di circa 106 °C/s, in
modo che esso non abbia tempo sufficiente per
cristallizzare; come risultato, il materiale mostra una
estesa solubilità solida, un raffinamento del grano e una
riduzione delle micro-segregazioni. In uno dei processi
- struttura direzionale a): la paletta è colata nello
stesso stampo ceramico, che viene mantenuto alla
temperatura di fusione da una muffola radiante; inoltre
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
28
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
 distorsione della forma del getto a causa di
inappropriate modalità di pallinatura (shot peening)
o sabbiatura (sand blasting);
produttivi, il melt spinning (cfr. Figura 10.54), la lega
viene fusa per induzione in un crogiolo ceramico e poi
proiettata ad alta velocità da un gas in pressione su di
un disco rotante di rame (pozzo di calore), che la
raffredda quasi istantaneamente
 errori di assemblaggio o spostamenti delle diverse
parti costituenti lo stampo (Figura 10.55).
Tabella 10.4 - Vita dello stampo in funzione della tecnica di
produzione e dell’elemento base della lega.
Figura 10.54 - Rapid solidification: Melt spinning.
10.8 Qualità dei getti
L
a qualità di un getto dipende dall’accuratezza di
forma/dimensione e dall’eventuale difettologia.
accuratezza – come per tutte le tecnologie produttive,
anche nel caso della colata, l’inaccuratezza dipende da
cause sistematiche e da cause accidentali ed in genere
è quantitativamente proporzionale alle dimensioni del
getto. Essa è legata a:
 inaccuratezza dello stampo (degrado dovuto a
usura, fatica, shock termici cfr. Tabella 10.4);
 inaccuratezza del modello e dell’anima (usura,
distorsioni igro-termiche, incrostazioni);
 espansione e/o contrazione dello stampo a
causa delle variazioni di temperatura e/o
pressione;
 espansione del getto dovuta alla precipitazione
di fasi meno dense, quali grafite o gas;
 contrazione del getto al raffreddamento, che
porta a:
 modificazione delle dimensioni globali del
getto per raffreddamenti uniformi;
 distorsione della forma del getto a causa di
vincoli o raffreddamento non uniformi;
 modificazione delle dimensioni globali del
getto in conseguenza di trattamenti termici o
invecchiamenti lenti a temperatura ambiente;
Figura 10.55 - Errori di assemblaggio. (a) stampo e
controstampo per l’ottenimento di un pezzo relativamente
semplice. (b) e (c) possibilità di realizzare un medesimo
elemento con assemblaggi diversi. Si noti come in funzione
della complessità del sistema stampo/controstampo si possa
incorrere in facili errori.
 distorsione della forma del getto a causa di
inappropriate modalità di tempra (gradiente
disomogeneo o raffreddamento troppo rapido)
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
29
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
causa del materiale, della progettazione del getto, della
procedura tecnologica: di conseguenza si generano difetti,
di tipo estetico o strutturale. Per evitare definizioni
equivoche, l’International Committee of Foundry
Technical Association ha stabilito una terminologia
standard, che prevede sette categorie base di difetti di
colata:
Il controllo metrologico finale del getto viene eseguito
tramite dime, comparatori analogici o sistemi digitali
di rilevazione, come mostrato in Figura 10.56.
Tutti questi metodi richiedono comunque tre piani o
sei punti di riferimento rispetto ai quali azzerare
inizialmente le misure (Figura 10.57).
- protuberanze metalliche: bave, protrusioni, rugosità
molto rilevate;
- cavità: vuoti interni o superficiali, di forma regolare o
frastagliata, incluse le cavità da ritiro;
- discontinuità: cricche da ritiro, fratture da strappo a
caldo ed a freddo, giunti freddi dovuti al ricongiungersi di
due o più fronti di riempimento dello stampo;
- difetti superficiali: inglobamento di sabbia o di ossidi,
pieghe, sovrapposizioni, incisioni;
- colate incomplete: difetti di riempimento dovuti a
insufficiente quantità del materiale, solidificazione
precoce, fuoriuscita del metallo durante la colata;
- forme o dimensioni scorrette: dovute a contrazione
irregolare, errori nell’assemblaggio delle anime o nel
progetto dello stampo;
- inclusioni: generalmente non metalliche, dovute alla
interazione con l’atmosfera esterna e/o con il materiale del
crogiolo.
Un discorso a sé merita la micro-porosità, che può essere
dovuta a:
- contrazione macroscopica o inter-dendritica: le cavità
hanno forma irregolare e superficie scabra. Esse vengono
eliminate aumentando ed omogeneizzando il gradiente di
raffreddamento (con raffreddatori interni o esterni) oppure
effettuando una successiva pressatura isostatica a caldo
(hot isostatic pressing – HIP);
Figura 10.56 - Controllo metrologico del getto. (a) dime,
(b) comparatori analogici e (c) sistemi digitali di
rilevazione.
- riduzione della solubilità dei gas alla solidificazione: il
gas in eccesso viene espulso e rimane intrappolato nel
solido sotto forma di minuscole bolle. Le cavità hanno
forma regolare (sfere) e superficie liscia. Esse vengono
eliminate operando in vuoto, oppure flussando il fuso con
gas inerte oppure de-ossidandolo.
Una possibilità alternativa per descrivere i difetti di colata
consiste nel dividerli tra:
- difetti comuni a tutte le tecnologie; con riferimento alla
Figura 10.58:
 a) misruns: riempimento incompleto;
Figura 10.57 - Punti di riferimento per l’azzeramento
prima dell’inizio del controllo metrologico.
 b) cold shuts: riunione di fronti freddi;
 c) cold shots: globuli metallici inglobati;
Questi ultimi fungono anche da punti di vincolo per le
successive lavorazioni alla macchina utensile e
consentono un serraggio stabile e forte, senza il
pericolo di indentare localmente il getto.
 d) shrinkage cavities: cavità da ritiro;
 e) microporosity: microporosità;
 f) hot tearing/hot cracking: cedimenti dovuti ad
impedita contrazione da parte dello stampo;
difettologia - vi sono numerose possibilità che
qualcosa vada storto durante le operazioni di colata, a
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
30
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
- difetti tipici della colata in sabbia; con riferimento
alla Figura 10.59:
 controlli visivi per individuare difetti superficiali
macroscopici;
 a) sand blow: macrocavità superficiale dovuta
al rilascio del gas contenuto nello stampo;
 analisi chimiche, fisiche e metallurgiche per
verificare le caratteristiche intrinseche;
 b) pinholes: piccole cavità dovute al rilascio del
gas contenuto nello stampo;
 test di pressurizzazione, per evidenziare eventuali
perdite, e quindi vuoti, nel getto;
 c) sand wash: irregolarità superficiale dovuta
all’erosione dello stampo durante la colata;
 controlli non distruttivi (radiografici, con particelle
magnetiche, con liquidi penetranti fluorescenti) per
rilevare difetti interni/esterni;
 d) scabs: irregolarità superficiali dovute ad
incrostazioni di sabbia e di ossidi;
 prove meccaniche per misurare grandezze quali la
resistenza e la durezza superficiale.
 e) penetration: irregolarità superficiali dovute
ad eccessiva fluidità del metallo, che penetra
nello stampo in sabbia;
Nel caso vengano rilevati difetti non troppo gravi, questi
possono essere riparati (previo accordo con il
committente) tramite lavorazione di macchina (nel caso di
esuberi di materiale) oppure apporto di materiale per
saldatura seguito da lavorazione di macchina (nel caso di
mancanze di materiale).
 f) mold shift: difetto di forma/dimensioni
dovuto allo spostamento dello stampo;
 g) core shift: difetto di forma/dimensioni
dovuto allo spostamento dell’anima;
Le dimensioni del difetto in sé sono spesso molto meno
importanti della forma e della posizione del difetto stesso
all’interno del getto, così il metodo più efficace per
controllare le prestazioni di un getto consiste nel
suddividerlo in diverse regioni, in ciascuna delle quali non
devono essere presenti difetti di dimensioni superiori a
quelle accettabili per la specifica regione. Ad ogni modo,
la presenza di difetti influisce sulle seguenti caratteristiche
meccaniche:
 h) mold crack: cedimento e fessurazione dello
stampo, entro cui penetra il metallo fuso a
creare una protuberanza.
- sforzo di snervamento: non è particolarmente affetto
dalla presenza di difetti; il suo valore può essere ridotto di
pochi punti percentuali a causa della sezione ridotta;
- duttilità: come esemplificato dal semplice modello di
necking riportato in Figura 10.60, essa è fortemente ridotta
a causa della presenza di inclusioni/porosità, nel modo
sintetizzato dalla relazione approssimata:
allungamento duttile = (1 – f1/2) / n1/2
Figura 10.58 – Difetti comuni a tutte le tecnologie.
ove:
n = numero di cavità per unità di area
f = frazione di porosità rispetto all’area resistente
- sforzo di rottura: esso dipende dallo sforzo di
snervamento e dal contributo di incrudimento che si
manifesta durante l’allungamento duttile: poiché questo si
riduce in presenza di difetti, anche lo sforzo di rottura ne
risulta affetto allo stesso modo;
- tenacità a frattura: è un’altra proprietà dei materiali
indipendente dalle dimensioni dei difetti. Tramite il fattore
di intensificazione degli sforzi K o il crack opening
displacement COD (rispettivamente per la meccanica
della frattura lineare elastica LEFM o per quella plastica
YFM) è invece possibile determinare, conoscendo la
tenacità a frattura e lo sforzo applicato, la massima
dimensione del difetto che può essere tollerata. E’ quindi
necessario adottare tecniche di controllo non distruttivo in
grado di rilevare tale soglia, che può essere pari a decimi
di millimetro;
Figura 10.59 – Difetti tipici della colata in sabbia.
Tutte queste tipologie possono comunque essere
ricondotte alle sette categorie definite dalle normative.
Le principali tecniche di controllo difettologico dei
getti di colata, dettagliate nel Cap.59, sono:
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
31
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
 alcune tecnologie di colata sono di tipo net shape
(non
sono
richieste
ulteriori
operazioni
tecnologiche) oppure near net shape (sono
richieste solo operazioni tecnologiche minori);
- resistenza a fatica: in genere essa è ridotta dalla
presenza di difetti; in particolare, viene accelerata la
fase di innesco della cricca a partire dalla coalescenza
di micro-difetti, mentre può essere rallentata la fase di
propagazione stabile, grazie alla struttura irregolare dei
getti di colata;
 possono essere realizzati componenti di massa
molto piccola (pochi grammi) o molto grande
(centinaia di tonnellate);
- tenuta pneumatica: viene ridotta dalla presenza, non
tanto di porosità (infatti i singoli pori non comunicano
l’uno con l’altro), bensì da film di ossido ripiegati su
se stessi, che generano contatti “secchi” in
corrispondenza dei quali nasce una certa permeabilità
ai gas;
 possono essere utilizzati tutti i metalli e leghe
aventi una temperatura di fusione;
 alcune tecnologie di colata sono adatte alla
produzione prototipistica, alcune altre alla
produzione di massa.
- sforzi residui: dovuti alle modalità di raffreddamento
e difficili da evidenziare con metodi non distruttivi,
spesso danno luogo a stati di sforzi ben più pericolosi
di quelli dovuti ai difetti: richiedono necessariamente
trattamenti termici di distensione post-colata.
Per contro, le tecnologie di colata, in taluni casi,
possiedono anche degli svantaggi, quali:
 presenza di difetti e porosità;
 limitate prestazioni meccaniche;
 scarso livello di accuratezza dimensionale e
finitura superficiale
 pericolosità nei confronti degli operatori e criticità
nei confronti dell’ambiente.
E’ quindi chiaro che la conveniente applicazione delle
tecniche di colata richiede l’attenta considerazione di un
gran numero di parametri, tra i quali:
 le caratteristiche del metallo/lega metallica;
 la specifica tecnologia di colata adottata;
 il materiale ed il progetto dello stampo;
 i parametri di colata (il flusso del metallo fuso, il
tipo di alimentazione, il rateo di raffreddamento, la
formazione di gas, etc.).
Dal punto di vista progettuale, le metodologie si sono
sviluppate nel tempo sulla base dell’esperienza, ed in
questi ultimi tempi sono state ulteriormente ottimizzate
grazie alle moderne tecniche di CAD-CAM e di virtual
manufacturing. Sebbene i processi di colata siano adatti a
produrre anche manufatti di forma complessa, la
semplificazione migliora la colabilità, aumenta la
resistenza e riduce i costi. In particolare, il progetto degli
stampi deve riservare particolare attenzione a:
- angoli e spessori: devono essere evitati spigoli vivi e
brusche variazioni di spessore, che inducono dapprima
problemi di riempimento, poi concentrazioni di sforzo e
cricche (Figura 10.61).
Figura 10.60 - Modello di necking per la frattura duttile
in funzione delle dimensioni del difetto. (a) se il difetto
ha dimensione l paragonabile a quella del provino, (b)
con un singolo difetto di larghezza d e (c) presenza di
difetti multipli con spaziatura s.
I raggi di raccordo devono essere i più ampi possibile (325mm). La posizione dei cerchi maggiori inscrivibili nelle
sezioni (Figura 10.62) è particolarmente critica per quanto
riguarda il rateo di raffreddamento, la contrazione e le 
cavità da ritiro.
10.9 Aspetti progettuali ed economici
A
lcuni tra i principali vantaggi delle tecnologie di
colata sono:
 possono essere realizzate geometrie complesse,
gestendo sia la forma interna che quella esterna;
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
32
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
- partizionamento: specie nella tecnica della colata in
sabbia, lo stampo è diviso in due parti; è preferibile che
tale partizione avvenga su di un piano (Figura 10.65), in
corrispondenza di un angolo o di un bordo e non lungo
una superficie piana, per evitare che la bava sia visibile
- angoli di spoglia: per facilitare l’estrazione del getto
dallo stampo è necessario prevedere angoli di spoglia
(Figura 10.66) variabili da 0,5° a 2° (superfici esterne);
tali valori vanno raddoppiati per le superfici interne onde
tener conto della contrazione;
- tolleranze: le tolleranze dimensionali dipendono dalla
tecnica di colata, tipo di stampo e dimensioni del getto;
per motivi economici, è opportuno siano le maggiori
possibili, compatibilmente con la funzionalità del getto:
+/-0,8 mm per getti piccoli, +/-6 mm per getti grandi;
Figura 10.61 - Progetto di uno stampo. In (a) e (b) si
evidenziano gli accorgimenti da considerare nei
confronti della variazione di sezione e/o spessore.
- sovrametallo: il sovrametallo è lo spessore di metallo
lasciato in eccedenza sulla superficie per consentire
ulteriori lavorazioni di macchina: esso dipende dal tipo e
dalle dimensioni del getto: 2-5 mm per getti piccoli, fino a
25 mm per getti di grandi dimensioni;
- sforzi residui: per evitare distorsioni dovute a ratei di
raffreddamento diversi è opportuno prevedere dopo la
colata trattamenti termici di distensione.
Figura 10.62 - Progetto di uno stampo. (a) e (b)
posizione dei cerchi inscrivibili. (c), (d) e (e)
accorgimenti da adottare nei confronti dei massimi
cerchi inscrivibili in funzione della forma del pezzo da
realizzare. In (e) si evidenzia una cavità ottenuta con
un’anima.
Essi rappresentano le zone a più lento raffreddamento,
e sono quindi definiti hot spot. Le cavità da ritiro e gli
hot spot possono essere evitati mediante l’utilizzo di
piccole anime che danno luogo a delle cavità di forma
e dimensioni controllate e non influiscono in maniera
significativa sulle prestazioni del pezzo. La Figura
10.63 mostra altri accorgimenti atti ad eliminare il
problema indotto dagli hot spot: in particolare il metal
padding aumenta il rateo di raffreddamento nelle zone
critiche perché a più alto spessore.
In generale è opportuno mantenere la maggior
omogeneità possibile delle sezioni e degli spessori,
come mostrato in Figura 10.64;
- zone piane: vanno evitate il più possibile, in quanto
danno luogo a distorsioni dovute al raffreddamento;
ove possibile vanno interrotte con nervature;
contrazione:
per
evitare
criccature
da
raffreddamento, nel progetto dello stampo si deve
tener conto della contrazione, i cui valori per i
principali metalli sono riportati nella Tabella 10.5;
Figura 10.63 - Tecniche per l’eliminazione del problema
indotto dagli hot spot. In (a), (b) e (c) se ne riportano tre
esempi, mentre dalla figura più in basso si evince il metodo
chiamato metal padding.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
33
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
Figura 10.65 - Colata in sabbia. (a) esempio di
partizionamento non corretto dello stampo (b)
partizionamento corretto.
Figura 10.64 - Accortezze da introdurre per il
mantenimento dell’omogeneità dello spessore e delle
sezioni.
Tabella 10.5 - Valori di contrazione percentuale per i
principali metalli in uso.
Figura 10.66 - Angoli di spoglia consentono una maggiore
semplicità nella rimozione del pezzo.
Infine, va ricordato che la scelta tra diverse modalità
produttive (per esempio lavorazione alla macchina
utensile e colata) e tra diverse tecniche specifiche (per
esempio colata in sabbia e colata in conchiglia) spesso
dipende anche da fattori economici, nei quali giocano un
ruolo importante, tra gli altri:
Per quanto riguarda le leghe metalliche che possono
essere convenientemente trasformate con le tecniche di
colata, qui di seguito ne viene riportato un semplice
elenco: per una disamina più approfondita delle loro
caratteristiche si rimanda ai capitoli specifici.
 la necessità di investimenti preliminari
- leghe da colata non-ferrose:
 leghe di alluminio
 l’onerosità di stampi ed attrezzature specifiche
 leghe di magnesio
 la necessità di manodopera qualificata
 leghe al rame
 la durata dei tempi-ciclo
 leghe allo zinco
 il costo della materia prima
Su queste basi, la Tabella 10.6 mette a confronto diverse
tecniche di colata.
 leghe per alta temperatura (titanio, superleghe,
metalli refrattari).
- leghe da colata ferrose:
Tabella 10.6 – Confronto delle diverse tecniche di colata.
 ghise
 ghisa grigia
 ghisa nodulare
 ghisa bianca
 ghisa malleabile
 CGI (compacted graphite iron)
 acciai legati
Le tecniche caratterizzate da bassi costi d’impianto ed
attrezzatura, ma basso rateo produttivo (colata in sabbia)
 acciai inossidabili
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
34
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano
TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01
CAP. 10 - TECNOLOGIE DI COLATA
sono adatte per produrre prototipi o piccole serie,
mentre le tecniche che richiedono elevati costi per
l’impianto e l’attrezzatura, sono poco labour-intensive,
ovvero con ridotto impiego di manodopera, e offrono
elevati ratei produttivi (colata in conchiglia) sono
adatti alla produzione in serie.
Bibliografia
[1]
Bidwell, H.T.:
“Investment Casting”
The Machinery Publishing Co. Ltd., Brighton – Sussex, 1969
[2]
Black, S.C., Chiles, V., Lissaman, A.J., Martin, S.J.:
“Principles of Engineering Manufacture”
Arnold, Londra, 1996.
[3]
Boyer, H.E., Gall, T.L.:
“Metals Handbook”
American Society for Metals, Metals Park – Ohio, 1989
[4]
Brown, J.:
“Foseco Ferrous Foundryman’s Handbook”
Elsevier Butterworth-Heinemann Inc., Hoboken – New Jersey
2005.
[5]
Campbell, J.:
“Castings”
Butterworth-Heinemann Ltd., Oxford, 1991.
[6]
Edwards, L., Endean, M.:
“Manufacturing with Materials”
The Open University, Milton Keynes – England; Butterworths
– 1990
[7]
Freddi, R.:
“Rifusione ad Arco Sottovuoto per Acciai ad Impieghi
Aerospaziali – Analisi e Sviluppo”
Tesi di Laurea DIA – Politecnico di Milano, 2009.
[8]
Groover, M.P.:
“Fundamentals of Modern Manufacturing”
John Wiley & Sons, Inc., Hoboken – New Jersey, 2007.
[9]
Guibert, M.P.:
“Fabrication des Avions et Missiles”
Dunod, Parigi, 1960.
[10] Kalpakijan, S., Schmid, S.R.:
“Manufcturing Engineering and Technology”
Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River –New Jersey, 2001.
Materiale didattico per uso personale degli studenti. Non è consentito l’uso di questo materiale a scopo di lucro. E’ vietato utilizzare dati, informazioni e immagini presenti nel testo senza
autorizzazione. Copyright Dipartimento Ingegneria Aerospaziale - Legge Italiana sul Copyright 22.04.1941 n. 633.
G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini
35
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano