Classe 3^ - UdA n° 3: Metodi di fabbricazione - Lavorazioni per fusione
LAVORAZIONI PER FUSIONE
Il procedimento tecnologico più antico é quello per “Fusione” che, col perfezionamento dei mezzi
di indagine, delle attrezzature e degli impianti, ha assunto via via carattere industriale.
Il grande sviluppo di questa industria é dovuto in gran parte ad un fattore economico, perché i
pezzi ottenuti per via di fusione, specialmente se hanno forme complesse, sono in genere meno
costosi degli oggetti ottenuti con altri procedimenti tecnologici anche se, in genere, possiedono
caratteristiche meccaniche inferiori.
La fonderia interessa notevolmente il settore produttivo, per la quantità dei getti ricavabili per
fusione, per il numero di fonderie esistenti ad alto grado di organizzazione, di meccanizzazione ed
anche automatizzazione, per la manodopera assorbita.
MATERIALI ADATTI AL GETTO
Per essere adatti al getto, i materiali devono avere i seguenti requisiti:
•
•
Fusibilità: fondere a temperatura non troppo elevata (< 1600 °C)
Colabilità: fornire getti sani (omogenei, esenti da alterazioni e da soffiature).
Le leghe sono più fusibili di almeno uno dei componenti della lega stessa e sono meno soggette
alle soffiature ed alla ossidazione. Hanno maggiore fusibilità quei metalli che passano rapidamente
dallo stato solido allo stato liquido.
Le leghe più adatte al getto sono:
• Le Ghise
• Gli Acciai con C > 1 %
• I Bronzi per getti
• Gli Ottoni per getti
• Le Leghe leggere per getti (soprattutto al silicio)
La colata del materiale fuso può essere effettuata in forme di terra (dette transitorie) o in
conchiglie metalliche (forme permanenti).
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Il processo di fonderia
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LA PROGETTAZIONE DEI GETTI
Nella stesura del disegno dei modelli nonché dei getti, è indispensabile che ci sia una stretta
collaborazione fra il disegnatore ed il fonditore, in modo da trovare una soluzione soddisfacente sia
sotto l’aspetto tecnico che economico.
Gli spessori dei getti
E’ estremamente importante far si che il disegno
del getto tenda a conseguire al massimo grado una
uniforme velocità di raffreddamento per conseguire le
migliori caratteristiche meccaniche.
Perciò occorre che ci sia una buona uniformità
degli spessori.
La determinazione dello spessore del getto è
funzionale della qualità del materiale e della forma
del getto.
La resistenza di un solido non è direttamente
proporzionale alla sua sezione: per aumentare la
resistenza del pezzo è sconsigliabile utilizzare grossi
spessori, ma è meglio ricorrere a strutture con più
pareti (nervature) di spessore ridotto.
Raccordi e passaggi di sezione
Il pezzo fuso, e quindi la forma che lo produce, non deve avere spigoli vivi, che quindi devono
essere sempre sostituiti da raccordi. Ciò per vari motivi:
1)
Poiché il raffreddamento avviene in un tempo che è direttamente proporzionale al
rapporto volume del metallo/superficie esposta, la parte del getto che si trova nel punto di
incontro delle due pareti (spigolo) si raffredda in un tempo maggiore.
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2)
Il metallo che viene versato nella forma
deve defluire, per quanto è possibile,
“tranquillo”. Ogni brusco cambiamento di
direzione può causare la formazione di
vortici e l’imprigionamento di aria o gas
nel metallo liquido, contribuendo a
formare delle soffiature.
3)
La presenza di spigoli vivi è pericolosa
per la resistenza meccanica, in quanto
questi determinano un incremento delle
sollecitazioni dovute a ritiri non uniformi
(causati dalla differente velocità di
raffreddamento).
Se occorre passare da uno spessore maggiore ad uno minore, è bene ricorre a raccordi e passaggi
di sezione.
La spoglia (o sformo)
Il getto (e
quindi il modello)
deve
essere
progettato
in
modo che si possa
estrarre
dalla
forma
senza
asportare la terra e
senza danneggiare
i contorni della
forma stessa.
Per facilitare
l’estrazione, le sue superfici devono possedere una leggera inclinazione, detta angolo di sformo o di
spoglia; occorre inoltre raccordare gli angoli con appropriati raggi di curvatura.
Gli angoli di spoglia variano a seconda delle dimensioni del getto. Si possono assumere valori da
5° a 1° dalle dimensioni più piccole a quelle più grandi, nel caso di formatura a mano; da 3° a 30’ nel
caso di formatura a macchina.
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I sovrametalli
Quando i getti devono subire una lavorazione alle macchine utensili, è necessario prevedere un
soprametallo nelle parti da lavorare per tener conto del materiale che si dovrà asportare per ottenere
una superficie con il prescritto grado di finitura e le richieste tolleranze.
L’entità del soprametallo di lavorazione dipende:
-
dall’estensione della superficie (maggior superficie, maggior sovrametallo)
dal procedimento di fonderia (in terra maggior sovrametallo che in conchiglia)
dalla configurazione del getto (maggior sovrametallo se si prevedono deformazioni)
da eventuali trattamenti termici (che provocano deformazioni)
L’entità del sovrametallo può variare da 4 a 15 mm, dai pezzi piccoli ai pezzi più grandi.
Il sovrametallo costituisce quello che possiamo chiamare il “metallo che si paga due volte” e cioè
una prima con il getto (materiale) ed una seconda con una maggiore lavorazione. Il costo di
quest’ultima sovrasta sempre di gran lunga il primo.
FONDERIA IN TERRA
Nel caso di colata in terra, il materiale utilizzato per realizzare la forma è una miscela di sabbia,
leganti, additivi ed acqua.
La tecnica operativa consiste nella costipazione (pigiatura) del materiale intorno ad un modello
posto entro una staffa.
Il modello, che riproduce la forma del
pezzo da colare, può essere in legno, ma anche
in ghisa, ottone, alluminio, plastica, cera.
La forma di terra viene distrutta per
estrarre il getto e deve pertanto essere
sostituita con una nuova per ogni getto. Per
questo si dice che la forma è transitoria.
TERRE DA FONDERIA
Le terre da fonderia, che possono essere naturali o sintetiche, devono possedere i seguenti
requisiti:
•
•
•
Refrattarietà:
Plasticità:
Permeabilità:
•
Coesione:
resistenza alle alte temperature
lasciarsi plasmare per assumere la forma del modello
lasciarsi attraversare dai gas incorporati nel metallo liquido
durante la colata o sviluppatisi all’atto della solidificazione
conservare la forma del modello, senza lasciarsi sgretolare sotto
la spinta del metallo liquido.
Le terre da fonderia sono generalmente miscele di:
•
Sabbia silicea (che conferisce refrattarietà)
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•
•
Leganti (che sono sostanze, come per esempio l’argilla, che si miscelano con la
sabbia per rendere possibile la coesione fra i granelli di silice)
Additivi (che sono sostanze carboniose che si aggiungono ala terra e che
controllando l’espansione del granelli e producendo uno strato di gas protettivo,
evitano difetti nei getti). Non devono essere in eccesso, altrimenti sviluppano gas.
Le terre naturali sono quelle provenienti da cave e alle quali non viene fatta
alcuna aggiunta.
Le terre sintetiche sono quelle naturali a cui sono aggiunte opportune
sostanze (dette “agglomeranti”), che migliorano soprattutto la coesione.
Principali agglomeranti sono il cemento Portland, le resine
fenoliche, il silicato di sodio, la bentonite.
La bentonite è una roccia argillosa con potere legante da 2 a 8
volte superiore aquello dell’argilla (su 100 g di sabbia quarzosa
possono essere aggiunti 6 g di bentonite)
Nelle terre sintetiche al silicato di sodio (4 ÷ 6 %),
particolarmente adatte per la costruzione delle anime, viene fatta
passare uniformemente in un tempo di 2 ÷ 10 min, una corrente di
anidride carbonica che, attraverso una reazione chimica, provoca un
indurimento notevole della forma.
Dopo la distaffatura,
le
terre
vengono
riutilizzate. Il recupero avviene attraverso alcune
lavorazioni di cui distinguiamo le seguenti fasi:
1. frantumazione dei grumi
2. separazione delle parti metalliche con nastri
trasportatori elettromagnetici
3. setacciatura delle parti metalliche non ferrose e
della terra grossa
4. separazione delle polveri (che abbasserebbero la
permeabilità) mediante aspiratori
5. mescolatura con sabbia nuova (molazzatura)
6. aggiunta di acqua, nerominerale e agglomerante
7. disintegrazione (separazione dei grani di silice
l’uno dall’altro)
La terra così preparata, contenete un 10-30 % di
sabbia nuova, va quindi alla formatura dove viene
“lanciata” nella forma.
Il nero minerale è un carbon fossile finemente
macinato. Esso aumenta la porosità, crea un velo
protettivo di gas tra la forma ed il getto.
Per verificare che le terre abbiano i suddetti
requisiti, sono svolte su di esse delle prove quasi
sempre normalizzate (secondo la tabella UNI 4628).
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Le prove sono le seguenti:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Analisi chimica
Determinazione della temperatura di refrattarietà
Determinazione dell’umidità
Determinazione della percentuale di argilla
Determinazione granulometrica
Misura della permeabilità
Misura della resistenza meccanica
IL MODELLO
Il modello costituisce la riproduzione
“corretta” del pezzo da colare. L’aggettivo
“corretto” deriva dal fatto che la forma del
modello deve essere maggiorata per compensare
la contrazione (ritiro) dovuta al raffreddamento,
deve possedere angoli di spoglia per facilitare
l’estrazione dalla terra, bordi arrotondati e sovrametallo per successive lavorazioni.
Materiali
I materiali utilizzati per la fabbricazione del modello dipendono dal tipo di produzione: per
produzione limitata sono adoperati materiali anche scadenti, per produzione in serie sono adoperati
materiali più costosi.
Migliori sono le caratteristiche del modello, migliori saranno quelle del getto.
Un materiale molto utilizzato è il legno.
Il legno è poco costoso, facile da lavorare, leggero, però resiste meno del metallo all’usura. Il più
economico è l’abete. Per i modelli che richiedono molto lavoro di intaglio riadopera il frassino, il
melo, il pero. Per i modelli che debbano possedere molta resistenza all’uso ripetuto, si adopera la
quercia. I legnami per la costruzione del modello devono essere ben stagionati (da 2 a 4 anni).
Altri materiali adoperati sono la ghisa, l’ottone, le leghe di alluminio, le resine sintetiche e la
cera.
Ritiro
Poiché il metallo versato nella forma, solidificando, si contrae, le dimensioni della forma e,
quindi, del modello devono essere maggiori di quelle previste per il getto.
La contrazione (o ritiro) dipende da:
- tipo di metallo costituente il getto
- spessore, lunghezza e geometria del getto
Per esempio, le ghise grigie hanno un ritiro di
0,7-1,2 %, le leghe Al-Si hanno un ritiro di 1,3 %, i
bronzi comuni di 1,2-1,6 %
Se il getto non è a sezione uniforme, varia la
velocità di raffreddamento, cioè gli spessori più
grandi si raffreddano più lentamente e si
contraggono meno velocemente.
La diversa contrazione delle parti determina la
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distorsione del getto. Per evitare ciò, si prevede una curvatura del modello in direzione contraria in
modo da ottenere un getto non distorto.
Il modello, rispetto al pezzo finito, deve essere sovradimensionato anche per tenere conto di
eventuali lavorazioni da eseguire sul getto per migliorarne la finitura superficiale.
Per facilitare l’estrazione dalla terra, il modello deve essere costruito con pareti inclinate.
PREPARAZIONE DELLE FORME E DELLE ANIME
Di definisce “formatura” la
preparazione, manuale o meccanizzata,
delle forme transitorie destinate a
ricevere nella loro impronta in
negativo, lasciata dal modello, il
metallo liquido che darà origine al
getto.
Tali
forme
si
chiamano
“transitorie” in quanto vengono
utilizzate per una sola volta dato che, per togliere i getti occorre ogni volta demolirle (distaffatura).
Per mantenere unita la terra della forma, si impiegano staffe, costituite da telai solitamente in
acciaio ma anche in ghisa o lega leggera.
Le operazioni principali nella preparazione di una forma sono:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
posizionamento del modello su un piano
inserimento della staffa
immissione della sabbia
pigiatura
preparazione degli sfoghi per l’uscita dell’aria
chiusura della forma
capovolgimento della forma ed estrazione del modello
se la forma è in due parti, si ripetono le operazioni precedenti per la seconda metà; poi si
inseriscono le anime (se ci sono), si richiude la forma e si eseguono i canali di colata.
La forma è così pronta per la colata.
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Dato che le “anime” devono riempire
gli spazi delle forme che il metallo fuso
non deve occupare, al fine di lasciare nel
pezzo fori e cavità, esse evidentemente si
trovano all’interno del getto sia appena il
metallo è stato colato, sia durante la
solidificazione e il raffreddamento.
Le anime devono essere sempre
preparate con terra nuova da fonderia
avente elevata resistenza, permeabilità,
refrattarietà, cedevolezza e buona sgretolabilità.
Le cavità nella terra dove viene collocata l’anima sono dette “portate d’anima”.
Ci sono vari sistemi di produzione delle forme, ma i più diffusi sono i tre seguenti:
a) Formatura a mano:
b) Formatura semimeccanizzata
c) Formatura meccanizzata
viene utilizzata soprattutto nel caso di grandi getti o
quando i pezzi richiesti sono piccoli ed in numero
limitato
viene utilizzata nel caso di media serie con l’ausilio di
macchine comandate manualmente
viene utilizzata nel caso di grande serie con l’ausilio di
macchine formatrici e nastri trasportatori su cui le forme
sono trasferiti dal punto di colata fino alla distaffatura.
FUSIONE
Il materiale che costituirà il getto, a forma di “pane” nel caso di ghisa o di lingotto nel caso di
leghe di rame o di alluminio, insieme ad altre cariche (per esempio combustibile come coke o metano
e/o fondente), viene introdotto allo stato solido nel forno fusorio, dove viene riscaldato fino a
raggiungere la “temperatura di colata”, che è
maggiore della “temperatura di fusione” in modo
da conservare lo stato liquido dal momento dello
spillamento dal forno fino al momento della colata
nella forma.
- Il cubilotto
Il forno fusoio utilizzato nel caso della
fonderia della ghisa, è detto “cubilotto” o “forno a
manica”. Esso era già in uso nel 1400 ma, la
tipologia che ancor oggi vediamo risale al 1855.
Il principio di funzionamento del cubilotto è
per certi verso simile a quello dell’alto forno (vedi
figura a lato, che rappresenta un cubilotto a vento
freddo).
Tramite degli ugelli disposti nella parte
inferiore del cubilotto, viene inviata aria.
L’ossigeno si combina con il carbonio del coke ed
avviene la seguente reazione:
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C+O2 → CO2 con sviluppo di calore, la temperatura sale a 1600 [°C].
L’anidride carbonica risale e reagendo con altro carbonio secondo la seguente reazione:
CO2 + C → 2CO
con assorbimento di calore, la temperatura diminuisce a 1300 [°C].
I gas combusti in ascesa riscaldano i pani di ghisa presenti nella parte superiore del tino.
La fusione avviene a ciurca 1300 °C e la ghisa fusa gocciola in basso raccogliendosi nel
crogiolo insieme alla scoria che, essendo leggera ed insolubile, galleggia sul bagno.
Gli attuali impianti a cubilotto utilizzano
in prevalenza un sistema a ricuperatore per il
preriscaldamento dell’aria introdotta nel
cubilotto stesso. L’aria comburente è
preriscaldata sfruttando il calore del gas di
scarico del forno. Da ciò il nome di
“cubilotto a vento caldo”. Si possono
utilizzare anche ricuperatori riscaldati con
gas caldi che non sono quelli scaricati dal
cubilotto (ricuperatori a gas esterni).
L’aria calda è inviata nel cubilotto a circa
400 °C. In questo modo si ottiene un
incremento del 20 % circa della produzione
oraria di ghisa ed una diminuzione del consumo di coke.
- Dimensionamento del cubilotto
L’elemento di partenzaper il dimensionamento del cubilotto è
la produzione oraria di ghisa, che solitamente può variare da 500
a 7 500 kg/h.
In base ai dati forniti dalla pratica, si può considerare una
produzione oraria di ghisa Q = 0,75 kg/h per ogni cm2 della
sezione S del cubilotto:
Q = 0,75 kg/h
S = 1,333 ∙ Q [cm2]
Indicando con D il diametro interno del cubilotto all’altezza
degli ugelli, si ha:
π ∙ D2 / 4 = 1,333 ∙ Q
D2 = (4 / 3,14) ∙ 1,333 ∙ Q
D = 1,3 √Q [cm]
I principali elementi del cubilotto, ricavati mediante relazioni
dettate dall’esperienza, sono di seguito riportati:
Diametro interno D = 1,3 √Q [cm]
Altezza del crogiolo hc ≈ D [cm]
Altezza degli ugelli hu = hc + 25 [cm]
Altezza della dote (carbone coke) hd = (2 ÷ 3) D [cm]
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Altezza utile H = (5 ÷ 7) D [cm]
Quantità di aria A = 0,016 Q [m3/min]
- I forni elettrici
Per la fusione della lega metallica molto utilizzati sono i
forni elettrici, che consentono di raggiungere temperature
elevate, pur con costi maggiori di energia elettrica e di
esercizio.
1) Nei forni a resistenza, il calore è prodotto per
effetto Joule mediante resistenze elettriche in lega
metallica (soprattutto al Ni-Cr) o non metalliche
(es.: grafite o carburo di silicio).
La quantità di calore sviluppata è:
Q = R ∙ I2 ∙ t [J]
dove: R è la resistenza elettrica del conduttore in [W]
I è l’inmtensità di corrente elettrica in [A]
T è il tempo di passaggio della corrente elettrica in [s].
2) Nei forni ad arco, un’elevata d. d. p., che viene a
formarsi fra gli elettrodi di grafite, ionizza l’aria
compresa tra gli elettrodi e la suola, con conseguente
formazione di archi voltaici e relativi innalzamenti
della temperatura (3500 °C).
La distanza tra gli elettrodi, che si consumono, ed il
bagno di fusione deve essere garantita attraverso
appositi dispositivi automatici.
3) Nei forni ad induzione elettromagnetica, sono
delle correnti indotte nel metallo che lo riscaldano per effetto Joule fino a portarlo a fusione.
Il funzionamento del forno si basa sul seguente principio:
- Un avvolgimento primario,
costituito da n1 spire è
alimentato da una tensione
alternata V1, nella quale circola
una corrente di intensità I1.
- Nel circuito secondario costituito
da n2 spire, è indotta una f. e. m.
che determina una corrente I2.
- La corrente indotta genera un
campo magnetico secondario
con verso opposto al primario.
Vale la relazione:
I2 /I1 = n1 /n2 = V1 /V2
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Nella figura a lato è
rappresentato il forno Ajax. In
esso il circuito primario p è
avvolto
sul
nucleo
m
contenuto all’interno di un
canale anulare a comunicante
con il bacino b contenente la
massa metallica.
Il canale anulare a rappresnta
il circuito secondario formato
da un’unica spira (n2 = 1), per
cui la corrente indotta
circolante nel bagno metallico
risulta:
I2 = I1 ∙ n [A]
Tale corrente I2 deve vincere la resistenza elettrica R2 del materiale fuso e l’energia assorbita da
questa resistenza si trasforma in calore:
Q = R2 ∙ I22 ∙ t [J]
L’intenso calore sviluppato per effetto Joule e gli elevati moti convettivi determinatisi per effetto
della circolazione della corrente nella massa metallica, sono trasmessi al metallo non ancora fuso.
COLATA
A seconda delle posizioni di ingresso del metallo nella forma, la
colata può essere dall’alto, dal basso o in sorgente, laterale.
1)
2)
3)
Nella colata dall’alto (a) il riempimento avviene dal
basso verso l’alto e, quindi, la temperatura è crescente
verso l’alto. Non ci sono vuoti nel getto perché vi è
sempre del metallo liquido che li può riempire.
L’eccessiva velocità del metallo liquido urta però la
base della forma rischiando di distaccare frammenti di
terra che rimangono inclusi nel getto.
Nella colata dal basso (c) il riempimento avviene
ancora dal basso verso l’alto, la temperatura, però,
diminuisce verso l’alto in quanto in alto giunge il
metallo più freddo. La colata è vantaggiosa perché il
flusso di risalita del liquido è esente da turbolenze, ma
nel contempo è svantaggiosa perché, diminuendo la
temperatura verso l’alto, ivi il metallo forma delle
cavità di ritiro nel getto. Si ovvia a ciò sormontando il
getto con una materozza.
La colata laterale (b) è un compromesso tra i due
metodi precedenti: la temperatura è distribuita più
uniformemente e la turbolenza è minore.
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SPINTA METALLOSTATICA
Finchè il metallo colato nella forma si mantiene allo stato fuso, le pareti della forma sono
soggette a spinte analoghe a quelle esercitate dall’acqua. Valgono i principi fondamentali
dell’idrostatica.
In particolare: la spinta esercitata da un liquido
contro le pareti di un recipiente che lo contiene, diretta
perpendicolarmente alle pareti, è uguale al peso di una
colonna liquida, che ha per base la superficie bagnata e
per altezza la profondità del baricentro di tale
superficie rispetto al livello libero del liquido.
Indicando con:
A = area della superficie bagnata in dm2
H = profondità del baricentro dell’Area, in dm
ρ = massa volumica del liquido, in kg/dm3
g = accelerazione di gravità, in m/s2
la spinta viene espressa dalla relazione:
S = A · H · ρ · g [daN]
Inoltre: un corpo, immerso in un liquido, riceve una spinta dal basso verso l’alto uguale al peso
del liquido spostato (Archimede).
Le spinte laterali sono contrastate dalla forma e dalle staffe, la spinta verticale tende a sollevare la
staffa superiore e quindi quest’ultima dovrà essere caricata con un contrappeso tale da vincere la
spinta:
P>S
Le spinte metallostatiche del liquido scompaiono quando il liquido è solidificato.
SOLIDIFICAZIONE
La solidificazione del getto comincia dalla
superficie esterna e procede man mano verso
l’interno via via che il getto si raffredda.
In uno stesso getto, le parti sottili si
raffreddano prima di quelle di maggior spessore e
ciò determina una diversa struttura con
conseguente differenti proprietà meccaniche tra
una parte e l’altra del getto.
Da ciò la necessità di avere getti con spessori il
più possibile uniformi.
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OPERAZIONI FINALI DI FONDERIA
Si ha dapprima la distaffatura (con l’eliminazione della terra attorno al pezzo). Segue la
sbavatura (con l’asportazione dei residui della forma e delle anime che ancora aderiscono al getto e
di tutti quegli elementi che non ne sono parte integrante (materozze, canali di colata).
Tra le tecniche di sbavatura ricordiamo:
-
la sabbiatura, per l’asportazione del refrattario
la scalpellatura ed il taglio con seghetto a mano o con disco abrasivo per l’asportazione
delle materozze e dei canali di colata
la limatura a mano, la molatura e la pulitura per la finitura
Sul pezzo ottenuto per fusione può essere fatto un trattamento termico. Esso ha un duplice
scopo:
b) il rilassamento delle tensioni generate dal raffreddamento e da tutte le operazioni
successivamente compiute di riparazione o di altro tipo;
c) lo sviluppo di certe proprietà di tipo strutturale.
I trattamenti termici comunemente eseguiti sui getti sono:
-
la tempra di sluzione per le leghe non ferrose
la omogeneizzazione per le leghe ferrose
Il ciclo di lavorazione si conclude col controllo ed il collaudo del pezzo.
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FONDERIA IN CONCHIGLIA
Le forme “permanenti” o conchiglie sono costituite da materiali metallici, in genere ghise
speciali o acciai speciali al cromo aventi media durezza superficiale e buona resistenza anche alle alte
temperature.
Vengono costruite per lavorazione meccanica alle macchine utensili,
per elettroerosione ecc.
La fonderia in conchiglia ha il vantaggio che:
d) il procedimento è più rapido di quello in terra
e) con una forma si possono ottenere un gran numero di getti
f) rispetto ai getti ottenuti con le forme di terra la finitura è
migliore e la precisione maggiore.
L’elevato costo della forma costituisce invece uno svantaggio.
La colata in forme metalliche è adatta per produzioni in serie di getti
piccoli semplici (0,5÷50 kg).
Nell’industria normalmente si producono con tale sistema getti in
leghe di zinco, piombo e stagno, getti in leghe leggere da fonderia, in
leghe di magnesio ed in alcune leghe di rame.
Le conchiglie, prima dell’uso, vengono internamente verniciate con
sistemi a spruzzo o impiegando sospensioni acquose (ad esempio di
grafite) utilizzando apposite sostanze che hanno funzione lubrificante,
separante e distaccante. Prima della colata, per evitare difetti ai getti e
deformazioni della forma a causa della notevole differenza di temperatura tra liquido e forma fredda,
la conchiglia è preriscaldata alla temperatura di 150÷300 °C. Durante il riempimento, invece, per
evitare danni alla forma e al getto stesso, la conchiglia è raffreddata mediante ricircolazione d’acqua
in appositi condotti interni.
Condizioni di impiego della colata in conchiglia per alcuni metalli
Temp. Di colata
Temp. Di preriscaldo
Metallo
N° pezzi prodotti
[°C]
[°C]
1260÷1480
5÷20 000
430
Ghisa grigia
700÷760
Fino a 100 000
340÷430
Leghe di Al
1037÷1149
5÷20 000
120÷260
Leghe di Cu
649÷705
20 000÷100 000
150÷215
Leghe di Mg
388÷437
Oltre 100 000
200÷260
Leghe di ZN
- Colata per gravità
Viene realizzata col metallo fuso che riempie la forma sotto l’azione del proprio peso.
E’ consigliabile per leghe aventi elevata
scorrevolezza, per esempio getti in lega di alluminio o in
lega di rame o in ghisa. E’ poco usata per l’acciaio perché
l’elevata temperatura di colata usurerebbe eccessivamente
la forma metallica.
La conchiglia ha generalmente forma semplice ed è
costituita da due parti per consentire l’estrazione del getto.
Le conchiglie vengono costruite con ghisa di buona
qualità non trattata (C=3÷3,3%), raramente in acciaio.
Le anime sono generalmente in acciaio bonificato
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(C=0,3÷0,4%; W=8÷9%; Cr=3÷3,75%).
La forma della cavità deve favorire il riempimento senza moti vorticosi del metallo, facilitandone
inoltre la fuoriuscita di gas ed aria.
Nella progettazione delle conchiglie è necessario prestare attenzione a:
-
Angolo di spoglia (o di sformatura)
Grado di conicità di eventuali anime presenti per la realizzazione di fori o cavità
Ritiro del materiale
Sovrametallo di lavorazione
- Colata sottopressione
Uno dei più diffusi sistemi di colata in conchiglia è quello sotto pressione. Con tale procedimento
il metallo liquido viene introdotto nella forma metallica e spinto a riempirla sotto l’azione di elevate
pressioni (150÷1500 kg/cm2).
1) Iniettofusione (a camera calda)
La macchina che porta gli stampi
ed introduce il metallo liquido è
provvista di un’apposita “camera
calda” in cui il metallo viene
mantenuto alla giusta temperatura di
colata. La “scorrevolezza” del metallo
fuso non diminuisce, per cui
occorrono pressioni di esercizio non
elevate (fino a 150 bar).
La qualità del getto è buona
perché il metallo fuso non resta
moltoi a contatto con l’aria.
Tale sistema è particolarmente
impiegato per la fabbricazione di getti
a basso punto di fusione (piombo, stagno, zinco), con una produzione di 1000÷1500 pezzi all’ora.
2) Pressofusione (a camera fredda)
Il metallo è mantenuto allo stato liquido nel forno
di fusione e poi in un crogiolo a parte, da cui viene
prelevato e colato di volta in volta in una camera di
iniezione, che è separata dalla macchina, e poi
iniettato nella forma con pressione che può
taggiungere 1500 bar.
Questo sistema è adoperato per leghe leggere ed
ultraleggere e le leghe del rame che, avendo un punto
di fusione elevato, rovinerebbero gli organi a contatto
col metallo fuso.
La produzione oraria è di 100÷150 pezzi.
I vantaggi della colata sotto pressione sono:
-
I getti hanno ottima finitura superficiale e buone tolleranze dimensionali e di forma;
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-
E’ possibile ottenere getti con spessori molto sottili, profili complessi, alettature,
nervature …
E’ possibile ridurre al minimo le successive lavorazioni meccaniche essendo minimi i
sovrametalli.
Le forme metalliche sono costruite in acciaio avente composizione diversa a seconda della lega
da fondere. Per esempio, nel caso di leghe Al-Cu, l’acciaio può avere la seguente composizione:
C = 0,25÷0,45; Mn=0,20÷0,35; Si=0,35; Cr= 2,5÷3,5; Va= 0,30÷0,60; W=8÷16
- Colata centrifuga
Nella “Colata centrifuga”, il metallo è introdotto in una forma che ruota attorno al proprio asse.
Le operazioni di formatura hanno luogo sotto l’azione della forza centrifuga che provvede alla
distribuzione del metallo fuso nella forma ed alla separazione dei gas disciolti.
Tale procedimento è particolarmente utilizzato per la costruzione di tubi di ghisa, specialmente
adatti per gli scarichi di acqua piovana e per fognature.
La forma metallica ha le dimensioni interne uguali a quelle esterne del pezzo cavo che si vuole
ottenere (tubo).
Detta forma, costruita in
ghisa speciale (ma può essere
anche in acciaio o in materiale
refrattario nel caso di forme
complesse), è mantenuta in
rotazione (circa 350 giri/min)
dall’azione dei rulli.
Mediante un apposito
canale di colata portato dal
carrello che retrocede, si fa
affluire la ghisa liquida
nell’interno della conchiglia
preventivamente riscaldata a
circa 300 °C.
Per effetto della rotazione della conchiglia, la ghisa liquida viene proiettata per forza centrifuga
contro le pareti interne della conchiglia stessa sulle quali si dispone a spessore uniforme e preciso. Il
getto risulta molto compatto, privo di soffiature, con struttura cristallina più fine rispetto ai getti fusi
in terra, con elevate proprietà meccaniche.
I tubi ottenuti con questo procedimento possono avere diametri variabili da 20 cm ad 1 m ed
hanno lunghezza fino a 1,2 m; presentano una struttura molto compatta ed esente da soffiature.
- Materiali delle conchiglie
Qualunque sia il metodo utilizzato, i materiali costituenti le conchiglie devono possedere:
-
Elevata resistenza meccanica
Elevata resistenza all’usura
Buona conducibilità termica
Stabilità alle variazioni di temperatura
Essendo il materiale della conchiglia buon conduttore e scambiatore di calore con l’esterno
(ghisa di qualità, acciaio …), la solidificazione del metallo fuso avviene in tempi rapidi.
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FONDERIA A CERA PERSA
E’ utilizzata per produrre in modo economico serie di pezzi meccanici e di oggetti anche piccoli
di forma complessa, con ottima finitura superficiale (Ra = 1,5÷3 μ) e tolleranze ristrette (IT13÷IT14).
La denominazione “a cera persa” deriva dal fatto che il modello di cera viene distrutto per
riscaldamento durante l’ultima fase di formatura.
I modelli vengono costruiti in cera, paraffina o con resine termoplastiche, che si rammolliscono e
fondono a bassa temperatura.
Il procedimento prevede le seguenti fasi:
1) Costruzione del primo modello in gesso o lega leggera (modello base)
2) Costruzione della conchiglia scomponibile, colando sul primo modello
disposto in una scatola una lega a basso punto di fusione (bismuto-stagno)
3) Costruzione dei secondi modelli (in numero corrispondente ai getti da
fondere), iniettando la cera liquida nella conchiglia internamente verniciata
per evitare l’adesione della cera (figura 1 a lato)
4) Apertura della conchiglia ed estrazione del modello
5) Formazione del grappolo di modelli secondari (0,7÷1 kg) (figura 2 a lato)
6) Formatura sul grappolo di modelli di cera versando, in una cassetta di acciaio
inossidabile, una miscela semifluida di sabbia silicea e silicato di edile (per
riempire ogni sinuosità) (figura 3 a lato)
7) Disposizione del grappolo in staffa e cottura della forma a circa 100 °C: il
modello fonde e la cera liquida fuoriesce dai canali di colata. Il riscaldamento
prosegue per ottenere una migliore consistenza della forma.
8) Colata del metallo: viene eseguita nella forma ancora calda (per getti di acciaio T = 900 °C
per favorire il totale riempimento ed avere un raffreddamento lento (che elimina tensioni).
9) Distaffatura (estrazione del grappolo metallico con metodi manuali a percussione)
10) Troncatura mediante mole da taglio
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CONFRONTO FRA LE TECNICHE DI FABBRICAZIONE DEI GETTI
Il confronto fra le diverse tecniche viene fatto al fine di scegliere quella più economica per
fabbricare un determinato tipo di getto.
La valutazione di tale economicità si fonda sull’esame dei seguenti elementi:
o
o
o
o
La temperatura di fusione della lega
Le dimensioni e la complessità del getto
Il numero dei pezzi
Le tolleranze e la finitura superficiale
Se la temperatura di fusione del materiale è elevata conviene orientarsi verso tecniche che usano
forme in materiale refrattario (fonderia in terra o a cera persa).
Se la temperatura di fusione è bassa si può prendere in considerazione la formatura in conchiglia.
Infatti nel primo caso le forme metalliche avrebbero vita breve, essendo soggette a rapida usura.
I getti di grandi dimensioni sono sempre fabbricati con le tecniche più semplici e quindi con la
fonderia in terra.
Per i getti piccoli si può prendere in esame la fonderia in conchiglia o a cera persa.
La fonderia a cera persa è da considerare anche per i getti di forma complessa, èer i quali una
fonderia in conchiglia porrebbe dei problemi di costo della forma metallica.
Le migliori condizioni di precisione dimensionale e finitura superficiale del getto, sono ottenute
con la fonderia in conchiglia ma anche con la fonderia a cera persa.
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