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Fonderia 1
Ottenimento di un componente nella sua forma ‘finale’ attraverso la colata di metallo liquido in un ‘adeguato’ contenitore
--- lingotti
--- colata continua
--- in forma -- permanente-- transitoria
Fonderia
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Fonderia 2
Fusibilita’ e colabilita’
• fondere a temperature relativamente basse(MAX 1500-1600 °C)
• riempire completamente la forma (fluidità / colabilità / scorrevolezza)
• mantenere una sufficiente omogeneità
• fornire getti esenti da difetti
Attitudine dei materiali alla fabbricazione per fusione
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Fonderia 3
blocchi di metallo destinati a successive lavorazioni
150 - 800
b
h = 3 - 7 b
conicità inversa
1 - 2 °
lingottiera
paniera
sistema di colata - diretto- in sorgente- con bacino intermedio
conicità diretta
sivieraLingotti
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Fonderia 4
- gocce fredde- doppia pelle- tacconi- riprese di colata- lesioni superficiali
Spruzzi e formazione della doppia pelle
Formazione della ripresa di colata
Distacco del lingotto dalla lingottiera con pericolo di rottura e traboccamento del metallo (formazione di tacconi)
La tendenza a formare cricche è valutabile dal rapporto: velocità di aumento pressione / velocità di asportazione del calore = portata/sezione / perimetro/sezione = Q/S / P/S = Q/PQuindi, per ridurre il pericolo dei cretti si impiega una sezione ondulata (quadrangolare, ottagonale, ecc.).
Tipici difetti in un lingotto
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Fonderia 5
paniera
lingottieramobile
rulliestrattori
metallo liquido
metallo solido
sistema di tagliodella barra
Ottenimento di semilavoratidestinati a successive lavorazioniper deformazione plastica
in alcuni casi anche prodotti finiti
Lingottiera:sistema di raffreddamentoandamento della solidificazione
Colata continua
Ottimizzazione della produzione:
+ produttivitàqualità dei prodotti
- costi di impianti
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Fonderia 6
Colata in terra (forma transitoria)
Elementi costitutivi di una forma in terra
Colata in forma (transitoria o meno)
Si ottengono getti finiti a meno di-- trattamenti termici-- lavorazioni di finitura
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Fonderia 7
DISEGNO DEL FINITO
• SCELTA DEL PIANO DI DIVISIONE
• ELIMINAZIONE DEI FORI (piccoli)
• SOVRAMMETALLI
• ANGOLI DI SPOGLIA (del modello)
• RAGGI DI RACCORDO
• ANALISI DEGLI SPESSORI
DISEGNO DEL GREZZO
• COMPENSAZIONE DEL RITIRO
• PORTATE D’’ANIMA
DISEGNO DEL MODELLO
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Fonderia 8
Metalli puri Leghe
T
t
T
t
TsTis
Tfs
caso ideale (termodinamica e cinetica)
Solidificazione
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Fonderia 9
caso reale
- nucleazione- accrescimento- scambi termici- variazioni di volume- sottrazione di calore attraverso una parete
forma metallo
T
Ta
Tc
Ts
t=t3t=t2t=t1t=0
t=0t=t1t=t2t=t3
distanza dalla parete
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Fonderia 10
T T∆
PPROBABILITA' DIFORMAZIONE DEIGERMI
DISTRUZIONE DEIGERMI
PROBABILITA' DI
VELOCITA' DIFORMAZIONE DEIGERMI
Tf
SOTTORAFREDDAMENTO SOTTORAFFREDAMENTO
VELOCITÀ DI ACCRESCIMENTO DEI GERMI SOLIDIFICATI
∆T
Nucleazione ed accrescimento
TEMPERATURA
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Fonderia 11
solidoliquido
t = t1
alta differenza di temperatura--> grosso sottoraffreddamento--> molti grani piccoli
----> buone caratteristiche meccanichecrosta dura che può dare problemi nellelavorazioni meccaniche successive
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Fonderia 12
liquidosolidot = t2
la solidificazione interessauna zona maggiore del gettoe quindi aumenta il valore (assoluto)della contrazione di volume
--> distacco di getto dalla forma--> strato di aria interposto
(bassa conducibilità)--> velocità di raffreddamento piccola
con direzione preferenziale disottrazione del calore
----> grani allungati, anisotropia,segregazione
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Fonderia 13
t = t3
basse differenze di temperaturebassa conducibilitàsenza particolare direzione di sottrazione del calore
----> grani grossi, equiorientati
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Fonderia 14
Tipica struttura finaledi un lingotto
- elevata velocità di raffreddamento- spessori ridotti- aggiunta di elementi nucleanti (nucleazione eterogenea)- rugosità della forma “ “
È auspicabile avere:
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Fonderia 15
Solidificazione di leghe
dendriti dovute a -- diverse temperature di solidificazione dei componenti
-- direzione preferenziale diasportazione di calore
-- velocità di raffreddamento
problemi -- porosità interdendritica-- disomogeneità -- anisotropia-- inneschi a frattura
trattamenti termici -- ricottura-- normalizzazione
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Fonderia 16
Il ritiro
Se ne tiene conto con:-- aumento dimensioni
forma-- alimentatori (materozze)
isoterme
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Fonderia 17
-- evita la formazione del conodi ritiro all’interno del getto
-- compensa contrazione di volumenel raffreddamento in fase liquidae nel passaggio liquido / solido
-- concentra impurezze bassofondentiall’esterno del getto
modificazione della distribuzione di temperaturadovuta alla presenza della materozza
Materozza
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Fonderia 18
Solidificazione direzionale
tempo di solidificazione
formula empirica di Chorinov:
ts = k ( V / S ) n n = 1.5 - 2k = 0.8 - 1.1
V / S = M ( modulo termico )
suddividere il getto in partia modulo termico crescente verso lamaterozza
Regola empirica:
Mi+1 = 1.1-1.2 Mi
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Fonderia 19
alcuni esempi:
V 4 / 3 π (D/2)3 D3 π (D/2)2 D
S 4 π (D/2)2 6 D2 2 π (D/2)2 + π D*D
M D / 6 D / 6 D / 6
V 0.5 1 0.8
D
D D D
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Fonderia 20
ancora:
D3
D1 D2 D3
V 1 1 1
Di 1.2 1 1.1
S 4.5 6 5.5
M 0.22 0.16 0.18
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Fonderia 21
un altro esempio:
C
BA
Va = Vb = Vc = L3
Sa = 4 L2 Sb = 3 L2 Sc = 2 L2
Ma = L / 4 Mb = L / 3 Mc = L / 2
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Fonderia 22
Dimensionamento del sistema di alimentazione
Volume degli alimentatori:
si usa il diagramma di Caine (sperimentale)
Mmx = ------- tempo di solidificazione relativo
Mg
Vmy = ------- volume relativo
Vg
x
y
pezzi buoni
pezzi non buoni
Diagramma di Caine
c
b
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Fonderia 23
a analiticamente: y ≥ ------ + b b = ritiro in fase liquida
x - c rappresenta il minimo valoredi y quando x -> ∞
a oppure x ≥ ------ + c c = costante che dipende dalle
y - b condizioni relative dismaltimento di calorefra getto e materozza(=1 se uguali)
a = costante sperimentaledipendente dal materialeda colare ( ≈ 0.1 )
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Fonderia 24
Esempio:
18
182
D
H
V 1M = ----- = ------------------------ = 0.82
S 1 1 1 2 ( --- + --- + ---)
2 18 18
fissiamo un valore di tentativoX = 1.8
(lontani dal ginocchio della curva)
otteniamo un valore Y = 0.2
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Fonderia 25
Quindi:
I modo II modo
Vm = 0.2 Vg H / D ∈ [ 0.5 - 1.5]
Vm---- = 1.8 MgSm
obiettivo
Y = f ( X ) Y = Vm / Vg X = Mm / Mg
in funzione - di geometria di materozza- proporzionamento materozza- getto
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Fonderia 26
Caso della materozza cilindrica
Vm = π D2 H / 4 H DMm = --------------
Sm = π D2 / 4 + π D H D + 4 H
δposto δ = H / D Mm = D --------------
1 + 4 δ
π D2 H π H π ( 1 + 4 δ )3
Y = Vm / Vg = ------------- = ----- ---- D3 = ------- δ ---------------- Mm3 =
4 Vg 4 Vg D 4 Vg δ3
π Mg3 ( 1 + 4 δ )3
= ---- ----- ------------- X3 Y = K X3
4 Vg δ2
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Fonderia 27
x
y
x
y
δ
x
y
x1 x2 x3
y1
y2
y3
δ1δ2
δ3
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Fonderia 28
Metodo di Bishop - Pellini
Valuta l’efficienza di una materozzain funzione del fattore di forma del getto
L + W ----------
T
- dal diagramma (a) si può calcolare Y- conoscendo Vg si può calcolare Vm- dal diagramma (b), fissato δ, si puòricavare H e D
(a)
(b)
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Fonderia 29
Raggio d’azione delle materozze
Meccanismo di solidificazione dendritica
Nel caso delle piastre, o in getti conparete sottile, può portare a chiusuradel collegamento fra la zona che stasolidificando e la materozza, con conseguente formazione di cavità all’interno del getto
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Fonderia 30
Solidificazione di una piastra con effetto di estremità e materozza
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Fonderia 31
zona di influenza materozza
acciaio 3 - 5 sghisa 4 - 5 sbronzo 6 - 8 sleghe leggere 5 - 7 s
effetto di bordo 2.5 s
raffreddatori 50 mm
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Fonderia 32
PIASTRE BARRE
4.5 T
T
4.5 T
2 T 2.5 T
T
4 T
2 T 2 T
T
4.5 T + 2 in
T
9 T + 4 in
4.5 T + 2 in 4.5 T + 2 in
RAFFREDDATORE
RAFFREDDATORE
T
6 T
T
da T a 4T
T
T
RAFFREDDATORE
RAFFREDDATORE
6 T
Contributo materozza: da 5T a 2TContributo effetto di estremità
da 1.5T a 2T
6 T + TD =6 T + T
12 T + 2T
MASSIMA DISTANZA DI ALIMENTAZIONE
D DN L
T NNT
MASSIMA DISTANZA DI ALIMENTAZIONE
TT
T
HM
L
D D DH N L
DH = ( TH - TM ) + 4.5 in
DN = ( TH - TL ) * 3.5
DL = 3.5 TM
DN = TN - TL ) + 4.5 in
DL = 3.5 TN
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Fonderia 33
Esempio
18
182
D
H
δ = 1 ---> D = 5.5
5.5
9
6.25
Amax = 4.5 T = 9 > 6.25
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Fonderia 34
Altro esempio
φ = 400
T = 30
progetto:
Dm = 50 8 materozze
Amax = 50/2 + 4 x 30 = 145 π 400 / 8 = 158
π 400 / 145 = 8.6 ---> 9 158 = D / 2 + 4 x 30 ---> D = 76
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Fonderia 35
Collare di attacco delle materozze
- non strozzatura per evitare solidificazione prematura
- piccola sezione per facilitare asportazione
- superfici piane piuttosto che curve- in corrispondenza a zone da lavorare successivamente
d Lacciaio 0.4 D 0.16 Dghisa 0.66 D 0.16 Drame 0.66 D 0.35 Dleghe leggere 0.75 D 0.49 D
MATEROZZA
COLLARE
GETTO1
2
3ORDINE DI SOLIDIFICAZIONE
1 2 3
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Fonderia 36
Metodi per ridurre le dimensioni delle materozze
Raffreddatori Coibentatori
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Fonderia 37
Raffreddatori
Posizionamento raffreddatori
Cricche a caldo dovute alla formanon corretta dei raffreddatori
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Fonderia 38
Durante il raffreddamento di un gettosi generano necessariamente gradientitermici che porterebbero zone contiguead avere, allo stesso tempo, lunghezze diverse. Ciò non è possibile per la congruenza alla deformazione e quindi, per mantenere la stessa lunghezza in ogni istantequeste zone del materiale devono essereassoggettate a sollecitazioni, di compressioneo di trazione a seconda del gradiente di temperatura. Dal momento che la resistenzaalla deformazione dei materiali è modesta,ad alta temperatura, allora si possono averedeformazioni permanenti ed anche rotture.
ab
ab
ab
t1
t2
t2
l1
l2
t2 ab
σa
σb
Tensioni termiche di ritiro e residue
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Fonderia 39
L’elementino a si raffredda piùvelocemente dell’elementino b e quindisi vorrebbe contrarre maggiormente, ama ciò non e’ possibile e quindi viene bsollecitato a trazione per mantenere in ogni istante una lunghezza uguale (congruente) con la parte b
La zona esterna si raffredda piùvelocemente dell’interno e quindisi vorrebbe contrarre, ma ciò none’ possibile e quindi viene sollecitata a trazione per mantenere in ogniistante una lunghezza uguale (congruente) con la parte interna
Esempio 1
Esempio 2
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Fonderia 40
Esempio 3 A
giogo B giogo
A
L
a
b
a
a
La quantità di calore smaltita è l’abbassamento di temperatura è
Q ∝ S ( T - Tambiente) ∆t ∆T ∝ ∆Q ∝ S ( T - Tambiente) ∆tρV V
ma S = 1 / M V
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Fonderia 41
2 (2a) L 4Nel nostro caso: SA / VA = ------------ = -----
a2 L a
e
2 (a + b) L 2 (a + b)SB / VB = --------------- = --------------
a b L a b
MB 2quindi ------- = ----------
MA a/b + 1
MB per b >> a ------- = 2 la parte A si raffredda molto più velocemente
MA
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Fonderia 42
quindi, considerando le condizioni al contorno:
T
Ts
Ta
t* t
All’inizio A ai raffredda più di Bma poiché verso la fine delraffreddamento il ∆T di A èmolto piccolo, da un punto in poi (tempo t*) B si raffredda più velocemente, pur avendo modulo maggiore.In quel momento le velocitàdi raffreddamento sono uguali.Alla fine del raffreddamentola due parti devono avere la stessa T.
B
A
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Fonderia 43
Si può impostare analiticamente il problemae trovare il t* e la max ∆T
- dT / dt = k(T) 1/M ( T- Ta ) se k(T) è costante allora
|T-dT / (T-Ta) = k / M dt ---> ∫ -dT / (T-Ta) = k / M ∫ dt ---> ln (T-Ta )| = - k / M t
|Ts
(T-Ta) / (Ts - Ta) = e -t k/M ---> TA = Ta + (Ts -Ta) e -t k/MA
TB = Ta + (Ts -Ta) e -t k/MB temperature
dTA / dt = - (Ts - Ta ) k / MA e -t k/MA
dTB / dt = - (Ts - Ta ) k / MB e -t k/MB velocità
le velocità di raffreddamento sono uguali e la differenza di temperatura è massima quando
ln (MB / MA) t* = -----------------------
k ( 1/MA - 1 / MB)
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Fonderia 44
In un generico istante: A
B
∆l’B
∆lA∆l’A
∆lB
L
∆lA = α L ( Ts - TA) e ∆lB = α L ( Ts - TB)
∆lA - ∆lB = ∆l’A + ∆l’B (1)
poiché∆l’A = σA L / E e ∆l’B = σB L / E
la (1) diventaα L ( TB - TA) = L / E ( σA + σB )
per l’equilibrio delle forze 2 σA ZA = σB ZB ( ZA e ZB sezioni)
le sollecitazioni sonoZB 2 ZA
σA = -------------- E α ( TB - TA) σB = -------------- E α ( TB - TA) ZB + 2 ZA ZB + 2 ZA
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Fonderia 45
T
Ts
Ta
t* t
B
A
σA
t
σΒ
Le temperatureTA e TB vanno secondo curve esponenziali
Le tensioni σA e σB vannosecondo le curve accanto(circa)
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Fonderia 46
essendo ZA = a2 e ZB = a b si haσA / σB = ZB / 2 ZA = b / 2 a
per b / a > 2 si ha σA / σB > 1
e ricordando: TB / TA > 1
si può avere cedimento di A più freddo ma più sollecitatooppure il cedimento di B, più caldo e meno sollecitato
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Fonderia 47
Supponiamo che alle temperature rispettive, si superi il carico di snervanento in una barra,ad esempio A (in trazione)
si possono avere due casi: -- σA > σr-- σr > σA > σs
nel primo caso……….
nel secondo caso, la lunghezza di A al t*è maggiore del previsto, quindi, aspettandosi ancora un certo ∆T fino alla Ta e quindi un corrispondente ∆l, a Ta la barra A sarà più lunga del previsto. Ciò non e’ possibile per la presenza dei gioghi e quindi necessariamente A sarà sollecitata a compressione. Per l’equilibrio, corrispondentemente, B sarà sollecitata a trazione. Ovviamente, σAr ≠ σBr
σA
t
σΒ
σsA σBr
σAr
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Fonderia 48
Metodi per ridurre le tensioni di ritiro e residue
- progettazione del prodotto
- processo- sistema di formatura- raffreddatori- coibenti
- trattamenti termici
raccordisezionimoduli termici
controllo velocità diraffreddamento e quindi dei gradientidi temperatura
ricotturanormalizzazione
- design for casting
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Fonderia 49
Necessari per avere possibilitàdi lavorare meccanicamenteper successive asportazioni di truciolosuperfici con particolari requisitidi tolleranza / finitura superficiale
Nella tabella UNI 6225-73 sono precisate le tolleranze dimensionali e i sovrammetali per la lavorazione meccanica dei gettidi acciaio non legato (UNI 3150-68), colati in sabbia. Le tolleranze dimensionali sono riferite alle dimensioni lineari nominalidei getti grezzi (per le quali non siano precisate nel disegno le tolleranze); per le superfici da sottoporre a lavorazionemeccanica sono indicati i sovrammetalli. Agli effetti delle tolleranze dimensionali e dei sovrammetalli, si distinguono 3 gradidi precisione, detti A (tolleranza ampia, getti singoli), B (tolleranza media, getti ripetuti), C (tolleranza stretta, getti diserie). Le tolleranze sono disposte a cavallo della linea dello zero; si tratta cioe' di tolleranze bilaterali. Nelle tabelle cheseguono sono riportate, per i tre gradi A, B, C, le tolleranze dimensionali e i sovrammetalli di precisione, limitatamente aigetti con massima dimensione nominale di 2500 mm.
Sovrametalli di lavorazione
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Fonderia 50
Tolleranze dimensionali in mm
Dimensione nominale(mm)
Massimadimensione del
getto grezzofino a 80
mm
oltre 80fino a
180
oltre 180fino a315
oltre 315fino a500
oltre 500fino a
800
oltre 800fino a1250
oltre1250fino a1600
oltre1600fino a2500
(mm) A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C
fino a 120 6 4 3 7 5 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
oltre 120 fino a 500 7 5 4 8 5 5 10 6 6 14 8 7 - - - - - - - - - - - -
oltre 500 fino a 250 8 5 5 9 6 6 11 7 7 15 9 8 18 11 9 20 13 - - - - - - -
oltre 1250 fino 2500 9 6 6 10 7 7 12 8 8 16 10 9 20 12 10 22 14 11 25 15 - 30 17 -
Sovrammetalli nominali Sn in mm
Dimensione nominale(mm)
Massimadimensione del
getto grezzofino a 80
mm
oltre 80fino a180
oltre 180fino a315
oltre 315fino a500
oltre 500fino a800
oltre 800fino a1250
oltre1250fino a1600
oltre1600fino a2500(mm)
A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C A B C
fino a 120 6 3 4 7 5 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - -
oltre 120 fino a 500 6 4 5 7 5 5 8 6 6 10 7 7 - - - - - - - - - - - -
oltre 500 fino a 250 7 5 5 8 6 6 9 7 7 11 8 8 12 9 8 13 10 - - - - - - -
oltre 1250 fino 2500 8 7 6 9 7 7 10 9 8 12 10 9 13 10 19 14 12 10 15 13 - 17 14 -
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Fonderia 51
Quota Tolleranza Caso 1 Caso 2 Caso 1 con Caso 2 connominale intrinseca sovrametallo sovrametallodel grezzo del processo
Effetto dimensioni massime Effetto della dimensione da lavorare
errore = 1° di inclinazione errore = 1% sul ritiro
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Fonderia 52
Sovrametallo (considerazioni )
sovrammetallo
- all'aumentare delle dimensioni- all’aumentare della precisione richiesta
- fusioni di serie
aumenta
diminuisce
costante
variabile - per semplificare l' anima- favorire la solidificazione direzionale
SOPRAMMETALLO VARIABILE
SOPRAMMETALLO COSTANTE
MATEROZZA
SOPRAMMETALLO
VARIABILE
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Fonderia 53
METALLOFUSO
PROBABILI ZONE di EROSIONE
METALLOFUSO
DISEGNO CORRETTODiverse condizioni per angoli e spigoli
GETTOANGOLO
SPIGOLO
R
r
per ridurre erosione della formadurante la colata
per ridurre rischi di rotturadurante la solidificazione
per ridurre concentrazionidi tensioni durante l’uso
Raggi di raccordo
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Fonderia 54
VALORI DELLO SFORMO s in mm e in %dell' ANGOLO di SFORMO β
ALTEZZA delMODELLO
(mm)SFORMO Angolo di sformo
βs (mm) (%)
fino a 40 0.5 1.25 1'30''40 - 59 0.75 1.8 - 1.2 1'60 - 119 1 1.7 - 0.8 40''120 - 159 1.5 1.7 - 0.8 40''160 - 199 1.75 1.1 - 0.9 40''200 - 249 2 1.0 - 0.8 30''250 - 299 2.5 1.0 - 0.8 30''300 - 399 3 1.0 - 0.75 30''400 - 499 3.5 0.9 - 0.8 30''>= 500 4 <= 0.8 30''
I valori di questa tabella sono di preferenza da adottare per modelli METALLICI, lavorati amacchina, possibilmente fissati su placche e ben finiti. La sformatura dovra' essere fatta convibratori e con guide o, meglio, su macchine a sformare.
per permettereestrazione del modello
H
IMPRONTA
MODELLO
Angoli di sformo
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Fonderia 55
Tfs Ta Lf = Li ( 1 - α ∆ T )
La forma ha modificato le sue dimensioni
Il metallo si ritira in modo dipendente anchedalla configurazione geometrica
Le anime funzionanoda vincoli
Ritiri lineari per getti colati in sabbia (valori indicativi)
MATERIALI RITIRO (%) Getti piccoli Getti medi Getti grandi
GHISE GRIGIE 1 0.85 0.7GHISE MALLEABILI 1.4 1 0.75GHISE LEGATE 1.3 1.05 0.35ACCIAIO 2 1.5 1.2ALLUMINIO e LEGHE 1.6 1.4 1.3BRONZI 1.4 1.2 1.2OTTONI 1.8 1.6 1.4LEGHE diMAGNESIO
1.4 1.3 1.1
Ritiro
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Fonderia 56
Realizzazione di fori ciechi o passantiper mezzo di occupazione di una partedel getto con materiale di formatura
portata d’anima
staffa
terra di formatura
animagetto
requisiti delle anime- maggiore refrattarietà- elevata resistenza meccanica fino al termine della solidificazione- friabilità
Anime
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Fonderia 57
realizzazione delle anime
cassa d’anima soffiaggio delle anime
armatura armature semplici tirate d’aria interneall’anima
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Fonderia 58
dimensionamento delle anime
In funzione di - diametro- lunghezza- spessore dellaparete del getto
fori passanti fori ciechi
S D S S D1 S
D < 2 S se L ≤ D se L1 ≤ D1 / 2
2S ≤ D ≤ 3S se L ≤ 3D se L1 ≤ 2D1
3S ≤ D se L ≤ 5D se L ≤ 3D
L1L
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Fonderia 59
gravità centrifuga sotto pressione
sfrutta la pressione dovuta forma messa in pompe alternativeal peso del metallo liquido rotazione, si genera
forza centrifuga sulmetallo
grande versatilità pezzi relativamente semplici pezzi complicati
tolleranze generalmente scadenti buone finiture / tolleranze ottime finiture
forme transitorie conchiglie metalliche conchiglie metallichepermanenti permanenti, costose
costi di impiantoautomazione
Sistema di colata
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Fonderia 60
Sistema di colata per fonderia in terra
Sistema principale - bacino di colata
- canale di colata
- canale orizzontale
- attacco di colata
Altri elementi - filtri- pozzetti- sfiati- trappole
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Fonderia 61
Sistemi di colatadiretta
sul piano di separazione
con tre staffe
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Fonderia 62
Altri sistemi di colata
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Fonderia 63
Dimensionamento sistema di colata
As
Ar Ag
H
Circuito idraulico in cui circola un fluido perfetto in condizioni stazionarie
Astr = sezione di strozzatura = conversione energia potenzialein energia cinetica
vstr = SQR(2 g H / k ) k ∈ [ 1 - 4 ]
Q = Astr * vstr
la portata non è un parametro libero ma va scelta in funzione di - volume del getto
- tempo di riempimento
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Fonderia 64
Tempo di riempimento t r Vg Tempo di irraggiamento tiVg + accessoriforma del getto (??)
se è piccolo --> portate eccessive e resa bassa maggiore di trse è grande --> difetti - prematura solidificazione
- collasso della forma per irraggiamento ( t i )
formatura a verde sinteticafine (AFS > 100) grossa (AFS < 100)
t i 3 - 5 5 - 12 20 - 60
1formule empiriche t r = ------------------------ ( ghisa grigia )(attenzione alle unità di misura) 0.045 + 1.64 / Vg
t r = 6.4 s SQR ( Pg ) t r = SQR ( Vg ) ( formula di Dietert per acciai)
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Fonderia 65
Nota la portata posso calcolare la sezione Astr
VgAstr = ---------------
t r vstr
Verificare che: vstr ≈ 1 m / s
t r ≤ t i
Posizionamento Astr sistemi pressurizzati Astr = Ag riduzione boccamevelocità elevateportate uniformi
sistemi non pressurizzati Astr = As velocità basseportate disuniformiconsigliati se c’èpresenza di ossidi
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Fonderia 66
Sistemi pressurizzati As : Ar : Ag ≡ Astr4 : 8 : 3 1 : 2 : 1 2 : 2 : 1
Sistemi non pressurizzati As ≡ Astr : Ar : Ag 4 : SQR ( H ) : SQR ( H ) [ H ] dm1 : SQR ( H / 2) : SQR ( H / 2)
Attacchi di colata (sezione rettangolare) b ≥ 4 aL ≈ b
L
a
b
altre sezioni ……
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Fonderia 67
T Tr d
T Tr' d
T Tr d
T Tr d
V 2
T r' = tempo di riempimento di V 2
Meccanismi di danneggiamentodella forma per irraggiamento
Riempimento di gettidi forma particolare
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Fonderia 68
Per un liquido perfetto si ha: p = γ h
γ = peso specifico
esempio 1: parete orizzontale affondata
F = p S = γ h AB AC
h
Z
F hA B
C D
Spinte metallostatiche
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Fonderia 69
esempio 2: parete verticale affiorante
h H
dhp daF = ∫s p da = γ ∫s h da =
= γ b ∫sab ≡ h h dh = 1/2 γ b H2
F = 1/2 γ b ( h12 - h2
2 )
esempio 3: parete verticale non affiorante
h1h2
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Fonderia 70
esempio 4: parete inclinata affiorante
h H
dh
dl = dhsin α
αFperpendicolare alla superficie = ∫s p da = γ ∫s h da =
= γ ∫s b h dl = γ b ∫oH h dh = 1 γ b H2
sin α 2 sin α
componente verticale = Fv = 1 γ b H2
2 tan α
componente orizzontale = Fo = 1 γ b H2
2
F
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Fonderia 71
esempio 5: parete circolare affiorante
H
F
componente verticale = Fv = π γ b r2
4
componente orizzontale = Fo = 1 γ b H2
2
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Fonderia 72
esempio 6: superficie qualsiasi
.. .. . .. . ,. : ; : ,. ,. ,: ; ., . . , ., -.’- . , . . . . :. ,. ,. ‘ “ . .. . . .. . .,’
II° metodo:La superficie di separazione frail liquido e la terra di fonderia“sostiene” tutta la colonna di liquidofino al pelo libero, su tutta la sua estensione
---> F = γmetallo Vsabbia sopra il getto
I° metodo: integrazione lungo lasuperficie delle forze
Fverticale = ∫s γ hs cos αs da
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Fonderia 73
Spinte metallostatiche sulle anime
Le anime sono completamente circondatedal metallo liquido, tranne le loro portate,e quindi sono assoggettate alla spinta di Archimede:
F = γmetallo ( Vanima - Vportate )
Nel calcolo della resistenza allo scoperchiamentodella staffa, a questo valore bisogna sottrarreil peso dell’anima stessa
Panima = γanima Vanima
NB: le anime verticali non hanno liquidosulla loro superficie inferiore e quindi nonsono soggette a spinte a meno che nonabbiano sotto-squadri.
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Fonderia 74
realizzazione della cavità all’interno della formanella quale verrà colato il metallo liquido
transitorio
transitoria modello
forma permanente
permanente
forme transitorie - possono essere distrutte dopo la colata materiale: terra di fonderia- devono permettere l’estrazione del modello piano di separazione
forme permanenti - devono essere resistenti e durature materiale metallico- devono permettere estrazione del pezzo angoli di sformo
Formatura
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Fonderia 75
COSTRUZIONEMODELLO
PREPARAZIONE FORMA PREPARAZIONE METALLO LIQUIDO
PREPARAZIONEMATERIALI FORMATURA
SPECIFICHECOMPONENTE
(fusione)
COLATA
SOLIDIFICAZIONE
RAFFREDDAMENTO
FINITURA
CONTROLLI
TRATTAMENTI TERMICI
APERTURA FORMA / DISTAFFATURA
Ciclo di formatura in terra
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Fonderia 76
Forma e modello
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Fonderia 77
Scelta del piano di separazione
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Fonderia 78
Eliminazione sottosquadri
problema soluzioni
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Fonderia 79
5. Realizzazione tirate d’aria
Fasi della formatura
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Fonderia 80
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Fonderia 81
Caratteristiche richieste1 plasticita' (scorrevolezza)2 coesione 3 refrattarieta'4 permeabilita'5 sgretolabilita'
R
% argilla
R
% acqua
• Sabbia silicea (SiO2)
• argilla (soprattutto bentonite)
• acqua (ha il compito di conferire potere legante all’argilla)
Materiali per la formatura in terra
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Fonderia 82
sabbia indice AFSmolto grossa < 18grossa 18-35media 35-60fina 50-150finissima >150
forma del grano+ finitura superficiale
distribuzione granulometrica
ANALISI GRANULOMETRICA DI SABBIANumero Maglia
(mm)Fattore
αTrattenuto
(g) (%)Prodotto
6 3.36 3 0 0 012 1.68 5 0 0 020 0.84 10 0.5 1 1030 0.59 20 1.8 3.6 7240 0.42 30 8 16 48050 0.297 40 17 34 136070 0.210 50 11 22 1100
100 0.149 70 3.5 7 490140 0.105 100 1 2 200200 0.074 140 0.3 0.6 84270 0.053 200 0 0 0
fondo - 300 0.5 1 300
Totale 43.6 87.2 4096
Argilloide 6.4 12.8
50.0 100
Indice di finezza 4096 / 87.2 ≈ 47
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Fonderia 83
Influenza dell’evaporazione dell’acqua superficiale e condensazione negli strati più profondi
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Fonderia 84
Legante
naturaleargilla o bentonite
forti 16%semigrasse 6-16% materiale di colatamagre 5-8% peso del gettosilicee <5% in funzione di spessore della parete
numero di pezzisinteticoinorganico silicato sodico
cemento
organico resine fenolichefuraniche…..
tabella
soffiaggiocompattazione pressatura
vibrazione
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Fonderia 85
ariaTa CO2
Na2O . x SiO2 + CO2 -> Na2CO2 + SiO2indurimento
fornocampi alta frequenza
a caldo aria caldautensili caldiradiazione infrarossa
breve (sec)tempi medio (min)
lungo (ore)
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Fonderia 86
Lavorazione delle terre
terra usata sabbia nuova
rottura zolle essiccazioneseparazione parti metallichesetacciaturaseparazione delle polveri acqua
agglomerantenero minerale
dosaturamolazzaturadisintegrazione
formatura
Molazza
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Fonderia 87
Prove sulle terre
1. determinazione del tenore di argillasi effettua lavando la sabbia e valutando la differenza in peso
(strumento : “levigatore”)
2. indice di finezzasetaccio in colonna in serie decrescente
3. contenuto di umidita’strumento che impiega carburo di calcio CaC2 che reagisce con
l’acqua provocando un aumento di pressione.
4. Prove meccaniche5. COESIONE A VERDE / SECCO
Compressione statica e dinamica mediante “coesimetri”
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Fonderia 88
Pezzo con una superficie piana
Pezzo forato
Esempi di forme allestite
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Fonderia 89
L / D >> 1
L / D << 1
Disposizione dell’impronta nella forma
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Fonderia 90
SCOSSA COMPRESSIONE SFORMATURA
PIATTO DI COMPRESSIONESTAFFAPLACCA MODELLOTAVOLACANDELE PER LA SFORMATURAPISTONE DI SCOSSAPISTONE DI COMPRESSIONE
1
2
5
76
3
4
1234567
TRAMOGGIA
PALETTA ROTANTE
TESTA DI LANCIO
FORMATURA A LANCIO CENTRIFUGO
ENTRATA TERRA
FORMATURA DALL' ALTO
FORMATURA DAL BASSO
Macchine per formatura
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Fonderia 91
Shell Molding o processo Crowning- sabbia di quarzo a grani tondi prerivestita
- resina termoindurente(es. fenolica)
Vantaggi
- buone tolleranze- buona finitura
- spessori sottili ( min 2.5 - 1.5 mm)(Il guscio presenta > isolamento termico rispetto alla forma in terra)
- impiegato anche per la fabbricazione delle anime- applicazioni in medie e grandi serie
Limitazioni- getti di limitate dimensioni ( < 20 kg )
Formatura in guscio
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Fonderia 92
Modello transitorioForma transitoria
Precisione dimensionale molto buonaFinitura superficiale molto buona Spessori minimi 1.5 mmPezzi piccoli Produzione di piccola media serie
I modelli possono essere comunque complessi,non essendoci problemi di estrazione. Ovviamentela conchiglia per fare i modelli diventa molto costosa
Microfusione
Formatura in modello perso
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Fonderia 93
Colata in forma ottenuta con polistirene espanso
Vantaggi:
- forma in un’unica staffa- assenza di bave- parti in sottosquadro - assenza di anime- assenza di angoli di spoglia- riciclo totale della sabbia
Preparazione modello
• stampaggio ad iniezione
• incollaggio delle diverse parti
• verniciatura con polvere di
quarzo/allumina
Pezzo
Svantaggi:
- possibile porosità-finitura superficiale modesta
Polycast
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Fonderia 94
Altri sistemi di formatura
Formatura in fossaGetti di grandi dimensioni, formatura manuale, impiego di sagome nel caso di pezzi assialsimmetrici.
Formatura in sabbia cementoAdatta per getti di grosse dimensioni (gnrl di materiali ferrosi). L’indurimento avviene per formazione di prodotti di idratazione cristallini (es. Ca(OH)2).Generalmente si impiega cemento Portland (7%-12%) + acqua (3%-10%). Si ottiene un impasto fluido che ricopia perfettamente il modello senza richiedere compressione. La sabbia può essere parzialmente recuparata (70-80%)Vantaggi- non necessita di compattazione (modello anche in polistirolo)- resistenza meccanica elevata (getti da 1 tonn a 600 (Spurr), es. gabbie di laminatoi)- ridotta produzione di polveriSvantaggi- difficoltà di distaffatura- lungo tempo di presa ed indurimento del cemento (24-48 h)
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Fonderia 95
Formatura alla CO2
Si utilizza come legante il silicato sodico (vetro solubile). Realizzata la forma fa passare nel suo interno una corrente di CO2 che dà luogo alla reazione:Na2O.ySiO3 + CO2 -> Na2CO3 + SiO2(gel)La silice gelatinosa forma ponti di collegamento tra i grani di sabbia.- adatto sia per anime che per forme- impiegare additivi per facilitare la disgregazione delle forme/anime dopo la colata- pezzi fino a 100 tonn- elevata produttività- parziale recupero (40% max (Giusti, 169)
Processo hot-boxSabbia e resina termoindurente con catalizzatore.La polimerizzazione avviene a 180 - 250 °C.Costo dell’energia, sostanze nocive.
Processo cold-boxSabbia e resina termoindurente. Si impiega un catalizzatore gassoso che promuove la polimerizzazionea temperatura ambiente.
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Fonderia 96
• Processi a solidificazione direzionale (Metals Handbook):
- Processo DS (Directional Solidification)
- Processo SC (Single Crystal)
Il metallo viene colato in una forma a guscio, di materiale eramico, posta in un
forno a temperatura superiore a quella di fusione del metallo. La solidificazione
avviene facendo traslare lentamente il guscio verso un ambiente a temperatura più
bassa. Si possono ottenere strutture cristalline a grani allungati (lungo la direzione
del flusso del calore), compositi metallici eutettici e componenti costituiti da un
singolo cristallo.
Es. palette di turbine a gas.
• Processi CLA, CLV,CV (Metals Handbook): impiegano una forma a guscio e un
sistema di riempimento per aspirazione
• Counter-gravity Low-Pressure of Air-meleted alloy
• Counter-gravity Low-Pressure of low-Vacuum-meleted alloy
• Check Valve casting
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Fonderia 97
•Formatura magnetica (Mazzoleni 1, 146)
Modello di polistirene. Il materiale di formatura,
polvere di ferro [eventualmente miscelata con
magnetite (Fe3O4)] viene addensato mediante
vibrazione e tenuto insieme dalle forze generate
da un campo magnetico
•Formatura in vuoto (applicabile a tutte le leghe,
• precisione, recupero sabbia)
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Fonderia 98
Conchiglie metalliche
leghe leggerestruttura fina dei grani finitura superficiale e tolleranze buone
gas disciolti fluidità del metallo liquido estraibilità del gettocolata veloce per evitare prematuresolidificazioni in parti sottili ( 4 mm)
in gravità
Colata in conchiglia permanente
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Fonderia 99
DISEGNO DEL FINITO
• SCELTA DEL PIANO DI DIVISIONE
• ELIMINAZIONE DEI FORI (piccoli)
• SOVRAMMETALLI
• ANGOLI DI SPOGLIA (del grezzo)
• RAGGI DI RACCORDO
• ANALISI DEGLI SPESSORI
DISEGNO DEL GREZZO
• COMPENSAZIONE DEL RITIRO
•TASSELLI
DISEGNO DELLA CONCHIGLIA
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Fonderia 100
Colata sotto pressione
Costi di impiantoCosto delle conchiglie
acciaio al W / Crdurate anche 100.000 pezzi
Anime metallicheGrandi serieOttime finiture / tolleranze
Pezzi piccoliSpessori 2.5 mmForme semplici(anime metalliche )
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Fonderia 101
Conchiglia parziale: ruota per veicolo ferroviario
Conchiglia parziale: cilindro di laminatoio
Anche in forme parzialmente metalliche
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Fonderia 102
1. Camera di pressione CALDA: INIETTOFUSIONE
Materiali (leghe)Piombo / Stagno 250 - 300 °CZinco 500 - 600 °CMagnesio 600 - 700 °C
CompressioneGas in pressione 2 - 6 MPaPistone tuffante 4 -15 MPa
2. Camera di pressione FREDDA: PRESSOFUSIONE
Materiali (leghe)Alluminio 650 - 700 °CRame 1000 - 1100 °C
Compressione: cilindro-stantuffo 150 Mpa
Il metallo viene introdotto nella camera di pressione ad una temperatura compresa nell’intervallo di fusione.
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Fonderia 103
macchina a camera oscillante:
• riempimento
• compressione
• estrazione
1
2 3
Iniettofusione
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Fonderia 104
macchina a pistone tuffante
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Fonderia 105
Macchina a camera orizzontale
Pressofusione
Macchina a camera verticale
Riempimento Compressione Estrazione
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Fonderia 106
Struttura macchine
camera calda
camera fredda
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Fonderia 107
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Fonderia 108
Colata centrifuga
Getti semplici e complicati
buone caratteristiche meccaniche buone finiture / tolleranze
velocità di rotazione:
ω = 2 π n / 60 a = ω2 r
---> n = 60 / 2 π SQR ( a / r )
a ∈ [ 70 - 200] g
difetto di formain colata verticale
relazione sperimentale
n = 42 SQR [ h ( r21 - r2
2 ) ]
r1
r2
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Fonderia 109
CONCHIGLIA RAFFREDDATA
ω
Colata centrifuga orizzontale Colata centrifuga verticale
Colata semicentrifuga con centrifugazione
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Fonderia 110
A combustilie- solido- liquido- gassoso
Elettrici- a resistenza- ad arco
• indiretto (radiante)• diretto
- ad induzione• bassa frequenza• alta frequenza
Forni
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Fonderia 111
Carica: strati alterni di
- coke
- fondente
- metallo
Cubilotto
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Fonderia 112
Impiegato per la rifusione di ghise comuni e speciali.Temperatura: Tf della ghisa 1150 - 1350 °C + max 200 °C di surriscaldamento.
Rivestimento:- acido (mattoni siliciosi a base SiO2, 90%) : il più usato, economico, ottima resistenza agli sbalzi
termici ;- basico (dolomite calcinata: ossidi CaO e MgO): favorisce la desolforazione
FeS + CaO -> FeO + CaSFeO + C -> Fe + CO
basicità della scoria: (CaO%+MgO%)/SiO2%- neutro (a base di magnesite calcinata (MgO 85-90% + … ) e cromite (FeO.Cr2O3)- grafite : zona del rivestimento al disotto degli ugelli
Carica del cubilotto (dote):- carbon coke: pezzatura d = 120 mm, buona resistenza meccanica, quantità: 10% della carica metallica
- ghisa: pani e rottami (pani di I fusione: titolati, pani di II fusione: composizione più incerta)- fondente: 20-30 % del peso del coke
* calcare (CaCO3), dolomite (CaCO3.MgCO3), magnesite (MgCO3)* fuorite (CaF2), cenere di soda (Na2CO3)
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Fonderia 113
Portata d' aria (all’incirca 1 tonn d' aria per la fusione di 1 tonn di ghisa), dipende anche dalla pezzatura del coke edalla sua porosità.
Rendimento: occorre limitare la temperatura dei gas in uscita (150 - 300 °C) η = 45-50%
Temperatura Aumenta col preriscaldamento dell’aria (alimentazione a “vento caldo”).Presenta un massimo con la portata d' aria: una portata eccessiva determina ossidazione, > perdite di Mn e Si ed una riduzione della temperatura; una portata bassa determina una bassa velocità di fusione, aumento di carbonio ed erosione del refrattario.
Inoculazione (per l’affinamento della struttura della ghisa): impiego di ferro-leghe es. Fe-Si 85 % + Al.
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Fonderia 114
STERRATURA
SABBIATURA
SMATEROZZAMENTO
SBAVATURA
⇒ elevata richiesta di manodopera
STERRATURA getti medio / grandi getti piccoli- griglie a scossa - contenitori rotanti- martelli pneumatici (buratti)- spazzole metalliche
SMATEROZZAMENTO: - urto- con mole- taglio ad arco
SBAVATURA: - mole- barilatura (pezzi piccoli)
Finitura dei getti
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Fonderia 115
Classificazione in base all' origine
1. azioni che si verificano nella forma durante la colata2. gas3. contrazione di volume nel passaggio solido-liquido4. ritiro dopo la solidificazione5. segregazione
Parametri fondamentali del processo che influenzano i difetti1. temperatura di colata2. velocità di colata
PREVENZIONI / RIMEDI- modifiche del disegno- modifiche del processo- eliminazione errori accidentali durante la fabbricazione- riparazione del getto
Difetti nei getti
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Fonderia 116
Classificazione in base al tipo di difetto1. incompleto riempimento
- canali di colata troppo lontani dalla zona+ aggiungere altri attacchi/canali di colata+ aumentare il carico idrostatico (battente)+ aumentare la temp. di colata --> fluidit à
2. ripresa di fusione (crosta ossidata)- arresto temporaneo del riempimento- incontro di flussi provenienti da attacchi diversi+ aumentare la vel. di riempimento+ aumentare la temperatura di colata
3. incrinature (tensioni di trazione)- ispezione visiva+ cause che determinano le tensioni di ritiro+ impiego di terre/leganti collassabili* acciaio : riparazione mediante saldatura* ghisa : sono più rari (< temperatura di colata, < ritiro)
ma possono essere causa di scarto4. soffiature e porosità
- esame radiagrafico- tenuta stagna: prova idraulica
5. formazione di ghisa bianca (Fe 3C)- difetto grave se si prevedono lavorazioni alle MU- prova del cuneo+ minore velocità di raffreddamento (forme essiccate)+ maggiore temperatura di colata (effetto di preriscaldamento)
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Fonderia 117
6. inclusioni non metalliche: pressione dei gas, azione eroriva (trappole)7. difetti superficiali
- porosità (pin-holes)- escrescenze ( penetrazione), tacconi ( rotture)+ maggiore consistenza della terra (Fe 2O3, graniglia acciaio)+ sabbia più fine+ minore temperatura di colata
8. variazioni di spessore (dovuto allo spostamento delle anime)Reazioni del metallo liquido con la forma- ossidazione- penetrazione
1. per infiltrazione2. per scorificazione (es. il manganese nell' acciaio forma MnO con alto potere bagnante)
* tensione superficiale (influenza della temperatura)* viscosità (influenza della temperatura)* pressione idrostatica* colpo di pressione generato dai gas che si sprigionano (dipende dal tipo di legante,
acqua, segatura, …). Rimedio: riduzione della velocità di colata.* porosità della forma
- contrazione/espansione della ghisa
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Fonderia 118
L' assorbimento dei gas costituisce un importante problema in fonderia
Effetti: POROSITA' --> riduzione σr
“ duttilità
Origine:- dissoluzione nel metallo liquido- reazione tra il metallo e la forma
Es.: la presenza di acqua nel materiale di formatura può dar luogo alle seguentireazioni:
1)
2) presenza di alluminio nella ghisa
H2O + C --> H2 + CO
2 Al + 3 H2O --> Al2O3 + H2
Gas disciolti
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Fonderia 119
La SOLUBILITA' dei gas dipende:
- presenza di altri elementi (es. %C, %Si, ...)- temperatura- pressione
Dipendenza dalla temperatura
m
m
m
T Tsf
s
l
ls Durante la solidificazine si liberala quantità di gas:
m L- mS
Tf= temp. di fusione
Ts= temp. disurriscaldamento
(caso di un metallo puro)
m = massa di gas che si discioglie nel metallo a saturazione
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Fonderia 120
Dipendenza dalla pressione
La dissoluzione è preceduta da dissociazione:
es. H 2 <--> H + H
N 2 <--> N + N
La reazione di dissociazione è regolata dalla legge di azione di massa
. Ad es., per la prima delle precedenti:
⇒
Per la legge di Henry, la quantità di gas disciolto nel metallo:
mgas
∝ ⇒
PH2------- = costPH PH
PH ∝ PH2 0.5
PH mgas
∝ PH2 0.5
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Fonderia 121
METODI PER RIDURRE LA PRESENZA DEI GAS
1. Non utilizzare materiali "inquinati"[es. da oli da taglio]
2. Protezione mediante flussi(gnrl. miscele di sali alcalini: NaCl, CaCl2, ...)
3. Limitare la temperatura di surriscaldamento ed il tempo di permanenza allo stato fuso
4. Degasaggio:- insufflazione di gas insolubili- con sali ⇒ decomposizione ⇒ gas insolubili
azione meccanica: es. Are/o " chimica: es. Cl
- trattamento sotto vuoto
5. Fusione sotto vuoto (ottimo ma costoso)
RIDUZIONE EFFETTI NOCIVI DEI GAS: colata sotto pressione
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Fonderia 122
Incurvamento cricche schiacciamento staffa
Difetti di forma
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Fonderia 123
sollevamento staffa disallineamento forma disallineamento anima
120
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Fonderia 124
Rottura della forma, distacco di zolle
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Fonderia 125
Fasi non metalliche o composti intermetallici (specialmente nelle leghe non ferrose)
Nelle leghe ferrose sono di solito: ossidi, solfuri, nitruri
Effetti:
- riduzione Rm⇒
- riduzione duttilità
naturaformaquantitàdistribuzioneorientazione
Metodi per l'eliminazione: FILTRI, TRAPPOLE
GSCORIE
F
C
T
G
Inclusioni non metalliche