PROCESSI DI DEFORMAZIONE PLASTICA DEI MATERIALI

METALLICI IN MASSA

INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI PLASTICHE La variazione della forma è ottenuta sfruttando la plasticità dei materiali metallici, che dipende: • dal materiale in lavorazione, in base alle sue proprietà tecnologiche

di deformabilità (duttilità, malleabilità);

• dall’entità della deformazione subita, poiché la plasticità si riduce man mano che la deformazione aumenta (incrudimento);

• dalla temperatura, poiché la plasticità migliora con l’aumentare della temperatura;

• dalla velocità di deformazione, poiché l’aumento di quest’ultima comporta una riduzione della plasticità (esiste un valore critico per la velocità di deformazione per cui si raggiunge la rottura senza passare attraverso lo stato plastico).

Esempi di sollecitazioni di compressione, di trazione e relative deformazioni del manufatto. Gli esempi sono scelti effettuando già un primo nesso con le lavorazioni plastiche: a) laminazione; b) trafilatura; c) stampaggio; d) estrusione.

Concetti fondamentali Incrudimento Affermare che “un materiale metallico ha subito una deformazione permanente”, vuol dire che si è deformata, a livello atomico, la struttura dei cristalli che lo compongono. La sollecitazione esterna applicata al materiale ha creato uno spostamento definitivo degli atomi costituenti il reticolo cristallino, dimostrabile con la presenza e il movimento delle dislocazioni; il reticolo deformato non essendo più in equilibrio, è sottoposto agli effetti dell'incrudimento. La perdita di equilibrio ha conseguenze sul comportamento meccanico del materiale, poiché aumenta la resistenza a trazione e la durezza, e diminuisce la deformabilità e la resilienza. Proseguendo nella deformazione del metallo incrudito si ottiene la sua criccatura o la rottura.

Ricristallizzazione Se si fornisce sufficiente energia a un materiale metallico incrudito, gli atomi si mettono in movimento (diffusione atomica) e tendono a riportare il reticolo cristallino in una posizione di equilibrio. Sopra una determinata temperatura, la diffusione atomica è tale da permettere il riformarsi di nuovi cristalli, il cui reticolo è nuovamente equilibrato; si è ottenuta così la ricristallizzazione che elimina gli effetti dell’incrudimento e rende il materiale nuovamente deformabile e meno fragile. La temperatura è detta di ricristallizzazione e si colloca tra un terzo e un mezzo della temperatura assoluta di fusione del materiale, espressa in gradi kelvin: mediamente Tr~0,7Tf. La tabella GLI riporta gli intervalli in cui si collocano le temperature di ricristallizzazione di alcune leghe metalliche.

Ricristallizzazione Se si fornisce sufficiente energia a un materiale metallico incrudito, gli atomi si mettono in movimento (diffusione atomica) e tendono a riportare il reticolo cristallino in una posizione di equilibrio. Sopra una determinata temperatura, la diffusione atomica è tale da permettere il riformarsi di nuovi cristalli, il cui reticolo è nuovamente equilibrato; si è ottenuta così la ricristallizzazione che elimina gli effetti dell’incrudimento e rende il materiale nuovamente deformabile e meno fragile. La temperatura è detta di ricristallizzazione e si colloca tra un terzo e un mezzo della temperatura assoluta di fusione del materiale, espressa in gradi kelvin: mediamente Tr=0,7Tf. La tabella riporta gli intervalli in cui si collocano le temperature di ricristallizzazione di alcune leghe metalliche.

Dopo l’incrudimento l’ulteriore deformazione del metallo è possibile solo dopo averlo sottoposto a ricottura, durante la quale nuovi grani indeformati sostituiscono quelli deformati, ottenendo così un metallo rigenerato in grado di sopportare nuovamente la deformazione plastica.

Trasformazione della microstruttura di un metallo: a) metallo ricotto avente grani con poche dislocazioni; b) metallo deformato plasticamente con molte dislocazioni nei grani; c) ricottura del metallo con la concentrazione delle dislocazioni lungo particolari linee; d) ricristallizzazione con nascita e crescita di nuovi grani; e) metallo completamente ricristallizzato con grani indeformati.

Orientamento della forma dei grani a) Linee di scorrimento rilevate nella sezione trasversale di uno stampato ottenuto con stampo chiuso: l'andamento delle linee non è uniforme poiché dipende dalla forma dello stampo utilizzato. b) Arricciatura rilevata in un filo di ferro trafilato.

Lavorazioni a caldo e a freddo Una lavorazione si definisce a caldo se avviene a temperatura superiore a quella di ricristallizzazione, a freddo se avviene sotto tale temperatura. Ne consegue che in una lavorazione a freddo si ha l’incrudimento del materiale, mentre in una lavorazione a caldo si ha la ricristallizzazione spontanea simultaneamente o appena dopo la deformazione; poiché l’incrudimento è nullo o molto contenuto, la forma del metallo può essere alterata profondamente senza incorrere in rotture. Le conseguenze da un punto di vista meccanico e tecnologico sono importanti. • L’incrudimento comporta l’incremento della resistenza alla

deformazione; • Poiché la ricristallizzazione riporta la struttura del metallo a uno

stato addolcito, la resistenza alla deformazione rimane costante al crescere della deformazione.

• Una deformazione a freddo non può superare determinati valori, altrimenti il materiale diventerebbe troppo fragile e si rischierebbe la frattura.

• Un materiale incrudito non può essere ulteriormente lavorato, quindi va sottoposto a un trattamento termico che ristabilisca l’equilibrio (ricottura).

lavorazione a freddo (a); lavorazione a caldo (b).

Vantaggi e svantaggi delle lavorazioni a caldo e a freddo

LAMINAZIONE

Esiste un punto B, dell’arco AC di contatto tra rullo e laminato, in cui la velocità del metallo eguaglia la velocità periferica del rullo; questo accelera il metallo nel tratto AB e lo frena nel tratto BC. Poiché le tre velocità sono differenti una parte del materiale slitta sui rulli; nel punto neutrale B non si ha slittamento.

Il momento M richiesto per la rotazione dei rulli aumenta con la resistenza alla deformazione plastica del materiale, perciò la laminazione a caldo richiede minore potenza di quella a freddo. Il momento M aumenta, ovviamente, anche con l’incremento della riduzione di spessore del laminato e con l’aumentare del raggio r dei rulli. Questa è una delle ragioni per cui, come si vedrà, vengono utilizzati rulli di piccolo diametro, spesso accoppiati a due o più rulli di diametro maggiore, in grado di contrastare la flessione sotto carico dei rulli più piccoli.

Alcuni prodotti laminati semilavorati in acciaio: a) tondi; b) billette.

Alcuni prodotti finiti laminati: a) lamiere; b) nastri laminati a freddo avvolti in rotoli denominati coils.

Alcuni prodotti finiti laminati: a) tondini in acciaio per cemento armato zincati a caldo, particolarmente resistenti alla corrosione; b) tondini in acciaio ad aderenza migliorata per cemento armato.

Alcuni prodotti finiti laminati: a) tubi senza saldatura di grosso spessore per applicazioni meccaniche; b) vergella; c) tubi saldati per condotte d'acqua.

a) Lingotto con grani non uniformi. b) Modifica dei grani dovuta alla laminazione. c) Tipi di grani: non uniformi (1); deformati allungati (2); formazione di nuovi grani (3); crescita di nuovi grani (4); ricristallizzazione completa con grani piccoli e uniformi (5)

Schema generale dei processi di laminazione con i prodotti Ottenibili.

Il lingotto o il pezzo da colata continua passa, prima di tutto, attraverso una laminazione a caldo che, oltre a uniformare le dimensioni del pezzo serve a chiudere la porosità, produce un grano fine e regolare che ne aumenta la duttilità. Le temperature utilizzate sono quelle tipiche della deformazione a caldo. Prima della laminazione a caldo si rimuovono ossidi e scaglie superficiali tramite la fiamma di un cannello a gas o la sgrossatura per abrasione; dopo la laminazione a caldo, gli ossidi sono tolti con l’attacco chimico di un acido, per abrasione o getti d’acqua in pressione.

Lubrificazione In genere, la lubrificazione non si usa nella laminazione delle leghe ferrose (solo in alcuni casi dove si usa grafite), inoltre, si utilizzano soluzioni acquose per raffreddare i rulli e rompere l’ossido che si forma sul pezzo. Le leghe non ferrose sono lubrificate con oli, emulsioni e acidi grassi; nella laminazione a freddo si usano lubrificanti a bassa viscosità come oli minerali, emulsioni, paraffine e oli grassi.

Macchine per la laminazione Le macchine per la laminazione sono costituite dalle gabbie di laminazione, in cui avviene la deformazione plastica dei metalli tra i rulli. A supporto delle gabbie, si utilizzano anche attrezzature ausiliarie quali dispositivi di trasferimento dei materiali (carri ponte, elevatori, piani di scorrimento a rulli), cesoie di taglio, dispositivi di evacuazione dei rottami e delle scaglie, dispositivi di impilaggio dei pezzi. Inoltre, nel caso di laminazione a caldo, si utilizzano anche i forni di riscaldamento, gli impianti di ripresa della temperatura e le placche di raffreddamento. L’insieme coordinato delle gabbie di laminazione e delle attrezzature ausiliarie permette di costituire il laminatoio (treno di laminazione). Esistono molti tipi di treni di laminazione e possono essere principalmente classificati in base al tipo di gabbie e al tipo di prodotti da ottenere.

Configurazioni principali delle gabbie di laminazione: a) duo semplice; b) duo reversibile; c) trio; d) quarto; e) grappolo; f) planetario.

e) grappolo

Laminatoio per nastri

Laminatoio a freddo La laminazione a freddo ha lo scopo di trasformare un nastro di acciaio laminato a caldo in un prodotto con speciali caratteristiche qualitative e dimensionali, che trova particolare impiego dall’industria utomobilistica a quella degli elettrodomestici. Il processo comprende le seguenti fasi: • decapaggio;

• laminazione a freddo;

• ricottura;

• laminazione a freddo;

• taglio. I rotoli laminati a caldo sono trasportati al decapaggio; per ottenere continuità lungo tutta di linea di decapaggio la coda di un nastro è saldata alla testa di quello successivo. La saldatura testa-coda è preparata intestando le estremità con il taglio alla cesoia. All’uscita dalla vasca, il nastro è lavato in acqua distillata, asciugato e oliato (per evitare un rapido deterioramento della superficie) e riavvolto in rotolo. A questo punto, il rotolo passa alla laminazione a freddo per ridurre lo spessore del nastro decapato. L’impianto riduce lo spessore iniziale del nastro del 50-80%, con tolleranza sullo spessore dell’ordine del centesimo di millimetro.

Impianti di laminazione diretta

Tali impianti lavorano metalli da riciclo (rottame) fusi in forni ad arco elettrico, colati in continuo e laminati in prodotti specifici diretti per il mercato; operano a livello locale sia per l’approvvigionamento di materiale da riciclo sia per la vendita dei prodotti, garantendo un’elevata produttività e bassi costi d’esercizio. Le miniacciaierie sono più competitive delle grandi acciaierie a ciclo integrale, poiché escludono in partenza i consumi di energia e di impegno di capitale destinati alla produzione della ghisa.

Impianto di laminazione diretta nastri sottili colati

Schema dell'impianto di laminazione diretta nastri sottili colati con siviera (a), comando erogazione acciaio liquido (b), misuratore del livello dell'acciaio liquido (c), cilindri di colata (d), motori dei cilindri di colata (e), tubazioni per liquido di raffreddamento (f), nastro (g), misuratore della temperatura di uscita del nastro (h), rulli di trazione del nastro (i), motori dei rulli di trazione (I).

Laminatoi per profilati

Schema semplificato della serie di stadi di laminazione necessari per ottenere varie forme di profilati.

Produzione di tubi La produzione dei tubi di acciaio si articola secondo due tipologie: • tubi senza saldatura • tubi saldati.

Laminatoio perforatore Laminatoio perforatore, che sfrutta il principio di Mannesmann (laminatoio Mannesmann), è usato per la foratura grossolana a caldo del massello pieno tondo e l’ottenimento del cosiddetto forato, di grosso spessore e buona concentricità. È formato da due rulli a doppio tronco di cono, che ruotano nello stesso senso, a 100 / 200 giri/min, disposti con assi sghembi giacenti

Sviluppo in una cavità al centro del tondo a causa delle sollecitazioni derivate dalla compressione e dalla rotazione impresse.

Processo di laminazione continua dei tubi senza saldature Il processo di laminazione continua prevede il passaggio al laminatoio continuo del forato, al cui interno è presente un’asta-mandrino (laminatoio continuo a mandrino flottante), rispettivamente dopo le fasi di riscaldamento e di perforazione. Il laminatoio continuo è formato da una successione di gabbie motrici con coppie di rulli, aventi gola circolare e asse orizzontale, alternati a rulli ad asse verticale. I diametri delle gole sono progressivamente decrescenti, pertanto la laminazione del forato avviene su un mandrino interno, su cui viene steso l’acciaio. Il forato esce dal laminatoio sotto forma di tubo allungato di 6-8 volte. Il tubo è sfilato dal mandrino mediante il passaggio tra due rulli ad assi obliqui che, provocando un lieve aumento del diametro interno, consentono l’estrazione del tubo dal mandrino. Dopo l’estrazione dell’asta-mandrino si effettua un nuovo riscaldamento dei tubi in appositi forni sino a 950-1000°C.

Processo Mannesmann o del laminatoio a passo di pellegrino

Imbocco del laminatoio a passo di pellegrino.

Processo di laminazione Diescher

Schema del laminatoio Diescher, in cui si osservano il mandrino di calibrazione del diametro interno del forato (a), i dischi di guida del laminato (b), i rulli di laminazione (c), di forma tronco-conica doppia.

Processi di produzione dei tubi saldati

Processo di formatura a freddo da lamiera di tubi e saldatura longitudinale

Schema del processo di produzione dei tubi a saldatura longitudinale: a) piallatura e smussatura di bordi della lamiera; b) predeformazione dei bordi; c) deformazione a "U" con punzone di forma della lamiera supportata da appoggi laterali oscillanti; d) deformazione definitiva a "O" con punzone e stampo (il prodotto ottenuto è detto canna); e) saldatura interna ed esterna della canna.

Processo di formatura a caldo da nastri di tubi saldati Fretz-Moon Il materiale di partenza è il nastro svolto, spianato e, tramite gabbia

trascinatrice, mandato in forno di riscaldamento a passaggio, dove i

bordi sono riscaldati con fiamma diretta fino a 1300 °C. Tramite cilindri

formatori il nastro viene portato ad assumere la forma cilindrica.

Sui bordi avvicinati è insufflato ossigeno che ne eleva la temperatura

fino al color bianco. I bordi sono premuti l’uno contro l’altro da appositi

rulli di pressione, ottenendo una saldatura priva di cordone. Lo

sbozzato passa al laminatoio riduttore stiratore che ne determina il

diametro e lo spessore finali. Tale procedimento è utilizzato per tubi di

piccolo diametro, per impieghi idrotermosanitari e per tubi del gas.

Difetti di laminazione

Durante la laminazione si possono creare difetti di superfice e difetti

interni.

I difetti di superfice sono dovuti a:

• inclusioni di particelle insolubili nel materiale come scaglie di ossido,

solfuri, silicati, scorie, sporco ecc.;

• soffiature o porosità superficiali;

• scaglie costituite da croste di acciaio ossidate, formatesi a causa

degli spruzzi o della turbolenza dell’acciaio che cola in lingottiera.

Nella laminazione a caldo si rimuovono in anticipo gli ossidi con un

trattamento di discagliatura.

I difetti interni

• sdopiature o delaminazioni, dovute a residui del cono di ritiro

primario dei lingotti oppure a inclusioni di refrattario che, durante la

laminazione, si sgretolano creando aree anche molto estese di

separazione, all’interno dello spessore della lamiera;

• soffiature e porosità che danno origine a filature;

• inclusioni di varia grandezza e natura, isolate o a gruppi;

• segregazioni, dovute a variazioni della composizione durante il

raffreddamento del metallo liquido, dei prodotti da colata continua.

Fucinatura e stampaggio La fucinatura e lo stampaggio differiscono poco tra loro; la prima, detta

anche forgiatura, è una lavorazione per deformazione plastica per

compressione del materiale in uno stampo aperto.

Lavorazioni a caldo di fucinatura per compressione del materiale in uno stampo aperto: a) taglio di un laminato b) arrotondamento; c) spianatura.

Lo stampaggio Lo stampaggio, invece, è una lavorazione per deformazione plastica del

materiale per compressione in stampi chiusi, che gli impongono una

forma definita e precisa, come illustrato nella figura

Caratteristiche dello stampato

L’impiego di pezzi stampati garantisce:

• una buona resistenza meccanica,

• l’uniformità della struttura metallurgica e l’assenza di difetti interni,

• una forma finale del prodotto molto vicina al disegno del progetto

(con sovrametalli minimi e uniformemente distribuiti),

• un minore peso a parità di resistenza meccanica e l’elevata

resistenza alle sollecitazioni dinamiche e alla fatica.

Quest’ultima caratteristica è dovuta al mantenimento nello stampato

della fibratura preesistente nel laminato di partenza. La disposizione

non interrotta delle fibre assicura una minore sensibilità all’intaglio

degli stampati, rispetto ai pezzi prodotti con processi alternativi.

Confronto tra le strutture metallurgiche: a) vista assonometrica; b) laminato lavorato in seguito per asportazione di truciolo con fibratura interrotta; c) getto fuso senza fibratura; d) stampato con disposizione non interrotta delle fibre.

Processi di fucinatura e stampaggio Nella fucinatura, il massello di partenza viene riscaldato e, quindi,

sottoposto all’azione battente della mazza di una macchina per fucinare

(maglio), per modificarne plasticamente la forma, mediante una serie di

deformazioni successive che permettono di giungere a quella definitiva.

Si riportano di seguito le fasi richieste dallo stampaggio di un pezzo.

• Troncatura spezzoni

• Riscaldamento dello spezzone

• Sbozzatura o prestampaggio: predispone il pezzo grezzo nella forma

più adatta da introdurre nello stampo attraverso la fucinatura; il

prodotto ottenuto è detto sbozzato.

• Stampaggio vero e proprio

• Tranciatura e sbavatura

• Coniatura: calibra i contorni del pezzo e ne migliora la finitura

superficiale

Ciclo produttivo di stampaggio di una corona dentata: a) grezzo; b) sbozzato ottenuto nel prestampaggio; c) primo stampato; d) secondo stampato; e) prodotto finito dopo la tranciatura della parte interna e la sbavatura sul perimetro

Maglio

Pressa idraulica: a) schema di funzionamento, in cui si possono osservare il cilindro (1), il pistone (2), la pompa (3), il motore elettrico (4), l'accumulatore ( i), il serbatoio di olio (6);

b) torchio idraulico.

Difetti di stampaggio