LAVORAZIONI PER FUSIONE

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1 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). Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1

2 Il processo di fonderia Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2

3 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3

4 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4

5 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. TERRE DA FONDERIA 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. Le terre da fonderia, che possono essere naturali o sintetiche, devono possedere i seguenti requisiti: Refrattarietà: resistenza alle alte temperature Plasticità: lasciarsi plasmare per assumere la forma del modello Permeabilità: lasciarsi attraversare dai gas incorporati nel metallo liquido durante la colata o sviluppatisi all atto della solidificazione Coesione: 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) Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5

6 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. 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 % 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). 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6

7 Le prove sono le seguenti: 1) Analisi chimica 2) Determinazione della temperatura di refrattarietà 3) Determinazione dell umidità 4) Determinazione della percentuale di argilla 5) Determinazione granulometrica 6) Misura della permeabilità 7) 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 Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 7

8 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. posizionamento del modello su un piano b. inserimento della staffa c. immissione della sabbia d. pigiatura e. preparazione degli sfoghi per l uscita dell aria f. chiusura della forma g. capovolgimento della forma ed estrazione del modello h. 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 8

9 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: viene utilizzata soprattutto nel caso di grandi getti o quando i pezzi richiesti sono piccoli ed in numero limitato b) Formatura semimeccanizzata viene utilizzata nel caso di media serie con l ausilio di macchine comandate manualmente c) Formatura meccanizzata 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 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: Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 9

10 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 kg/h. In base ai dati forniti dalla pratica, si può considerare una produzione oraria di ghisa Q = 0,75 kg/h per ogni cm 2 della sezione S del cubilotto: Q = 0,75 kg/h S = 1,333 Q [cm 2 ] Indicando con D il diametro interno del cubilotto all altezza degli ugelli, si ha: π D 2 / 4 = 1,333 Q D 2 = (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 h c D [cm] Altezza degli ugelli h u = h c + 25 [cm] Altezza della dote (carbone coke) h d = (2 3) D [cm] Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 10

11 Altezza utile H = (5 7) D [cm] Quantità di aria A = 0,016 Q [m 3 /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 I 2 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 n 1 spire è alimentato da una tensione alternata V 1, nella quale circola una corrente di intensità I 1. - Nel circuito secondario costituito da n 2 spire, è indotta una f. e. m. che determina una corrente I 2. - La corrente indotta genera un campo magnetico secondario con verso opposto al primario. Vale la relazione: I 2 /I 1 = n 1 /n 2 = V 1 /V 2 Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 11

12 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 (n 2 = 1), per cui la corrente indotta circolante nel bagno metallico risulta: I 2 = I 1 n [A] Tale corrente I 2 deve vincere la resistenza elettrica R 2 del materiale fuso e l energia assorbita da questa resistenza si trasforma in calore: Q = R 2 I 2 2 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) 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. 2) 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. 3) La colata laterale (b) è un compromesso tra i due metodi precedenti: la temperatura è distribuita più uniformemente e la turbolenza è minore. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 12

13 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 dm 2 H = profondità del baricentro dell Area, in dm ρ = massa volumica del liquido, in kg/dm 3 g = accelerazione di gravità, in m/s 2 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 13

14 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 14

15 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 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 Metallo Temp. Di colata Temp. Di preriscaldo N pezzi prodotti [ C] [ C] Ghisa grigia Leghe di Al Fino a Leghe di Cu Leghe di Mg Leghe di ZN Oltre 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 Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 15

16 (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 ( kg/cm 2 ). 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 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 pezzi. I vantaggi della colata sotto pressione sono: - I getti hanno ottima finitura superficiale e buone tolleranze dimensionali e di forma; Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 16

17 - 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= 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 17

18 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 Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 18

19 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 La temperatura di fusione della lega o Le dimensioni e la complessità del getto o Il numero dei pezzi o 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. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 19

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