fonderia - uniroma1.itdma.ing.uniroma1.it/users/veniali/roma3/fonderia.pdfFonderia 45 Dipartimento...

Tecnologia Meccanica

Fonderia 1

Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale

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


Fonderia 2


Fusibilita’ Colabilita’

• fondere a temperature relativamente basse(MAX 1500-1600 °C)

• mantenere una sufficiente omogeneità

• fornire getti esenti da difetti

Attitudine dei materiali alla fabbricazione per fusione

riempire completamente la forma (fluidità / colabilità / scorrevolezza)

Influenza la tecnologia scelta, i parametri, il materiale e le caratteristiche della forma,la velocità di colata, etc


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


Fonderia 4



Fonderia 5



Fonderia 6



Fonderia 7


- 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


Fonderia 8


Colata continua

Ottenimento di semilavoratidestinati a successive lavorazioniper deformazione plastica

in alcuni casi anche prodotti finiti

Ottimizzazione della produzione:

+ produttivitàqualità dei prodotti

- costi di impianti

lingottiera mobile

acqua

torcia da taglio

metallo fuso

metallo solidificato

rulli estrattori

paniera


Fonderia 9


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

Getto estratto una forma in terra


Fonderia 10


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


Fonderia 11


Metalli puri Leghe

T

t

T

t

TsTis

Tfs

caso ideale (termodinamica e cinetica)

Solidificazione


Fonderia 12


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


Fonderia 13


T TΔ

PPROBABILITA' DIFORMAZIONE DEIGERMI

DISTRUZIONE DEIGERMI

PROBABILITA' DI

VELOCITA' DIFORMAZIONE DEIGERMI

Tf

SOTTORAFREDDAMENTO SOTTORAFFREDAMENTO

VELOCITÀ DI ACCRESCIMENTO DEI GERMI SOLIDIFICATI

ΔT

Nucleazione ed accrescimento

TEMPERATURA


Fonderia 14


solidoliquido

t = t1

alta differenza di temperatura--> grosso sottoraffreddamento--> molti grani piccoli

----> buone caratteristiche meccanichecrosta dura che può dare problemi nellelavorazioni meccaniche successive


Fonderia 15


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


Fonderia 16


t = t3

basse differenze di temperaturebassa conducibilitàsenza particolare direzione di sottrazione del calore

----> grani grossi, equiorientati


Fonderia 17


Tipica struttura finaledi un lingotto

- elevata velocità di raffreddamento- spessori ridotti- aggiunta di elementi nucleanti (nucleazione eterogenea)- rugosità della forma “ “

È auspicabile avere:


Fonderia 18


Con diverse composizionichimiche è comunque possibileinfluenzare la struttura microcristallina e quindi ilcomportamento macroscopico


Fonderia 19


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


Fonderia 20


Il ritiro

Se ne tiene conto con:-- aumento dimensioni

forma-- alimentatori (materozze)

isoterme


Fonderia 21


-- 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


Fonderia 22


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


Fonderia 23


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


Fonderia 24


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


Fonderia 25


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


Fonderia 26


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


Fonderia 27


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 )


Fonderia 28


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


Fonderia 29


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


Fonderia 30


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 )3Y = Vm / Vg = ------------- = ----- ---- D3 = ------- δ ---------------- Mm3 =

4 Vg 4 Vg D 4 Vg δ3

π Mg3 ( 1 + 4 δ )3

= ---- ----- ------------- X3 Y = K X34 Vg δ2


Fonderia 31


x

y

x

y

δ

x

y

x1 x2 x3

y1

y2

y3

δ1δ2

δ3


Fonderia 32


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)


Fonderia 33


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


Fonderia 34


Solidificazione di una piastra con effetto di estremità e materozza


Fonderia 35


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


Fonderia 36


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


Fonderia 37


Esempio

18

182

D

H

δ = 1 ---> D = 5.5

5.5

9

6.25

Amax = 4.5 T = 9 > 6.25


Fonderia 38


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


Fonderia 39


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


Fonderia 40


Metodi per ridurre le dimensioni delle materozze

Raffreddatori Coibentatori


Fonderia 41



Fonderia 42


Raffreddatori interni


Fonderia 43


esterni

Raffreddatori esterni


Fonderia 44


Raffreddatori

Posizionamento raffreddatori

Cricche a caldo dovute alla formanon corretta dei raffreddatori


Fonderia 45


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


Fonderia 46


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


Fonderia 47


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) Δt ΔT ∝ ΔQ ∝ S ( T - Tambiente) ΔtρV V

ma S = 1 / M V


Fonderia 48


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


Fonderia 49


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 ΔT 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


Fonderia 50


Si può impostare analiticamente il problemae trovare il t* e la max ΔT

- 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/MATB = Ta + (Ts -Ta) e -t k/MB temperature

dTA / dt = - (Ts - Ta ) k / MA e -t k/MAdTB / 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)


Fonderia 51


In un generico istante: A

B

Δl’B

ΔlAΔl’A

ΔlB

L

ΔlA = α L ( Ts - TA) e ΔlB = α L ( Ts - TB)

ΔlA - ΔlB = Δl’A + Δl’B (1)

poichéΔl’A = σA L / E e Δl’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


Fonderia 52


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)


Fonderia 53


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


Fonderia 54


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 ΔT fino alla Ta e quindi un corrispondente Δl, a Ta la barra A sarà più lunga del previsto. Ciò non e’ possibile per la presenza dei gioghi e quindi necessariamente A saràsollecitata a compressione. Per l’equilibrio, corrispondentemente, B sarà sollecitata a trazione. Ovviamente, σAr ≠ σBr

σA

t

σΒ

σsA σBr

σAr


Fonderia 55


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


Fonderia 56


Necessari per avere possibilità di lavorare meccanicamente per successive asportazioni di truciolo superfici con particolari requisiti di tolleranza / finitura superficiale

Sovrametalli di lavorazione

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 Cfino 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 -

Tolleranze dimensionali ottenibili( mm)

E se è richiesta una qualità migliore (= tolleranze più spinte)?


Fonderia 57


Sovrammetalli nominali Sn in mm

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.

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 Cfino 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 -


Fonderia 58


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


Fonderia 59


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

SOVRAMETALLO

VARIABILE


Fonderia 60


Diverse 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


Fonderia 61


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


Fonderia 62


Tfs Ta Lf = Li ( 1 - α Δ 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


Fonderia 63


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


Fonderia 64


realizzazione delle anime

cassa d’anima soffiaggio delle anime

armatura armature semplici tirate d’aria interneall’anima


Fonderia 65


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


Fonderia 66


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


Fonderia 67


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


Fonderia 68


Sistemi di colata

DIRETTA SUL PIANO DI SEPARAZIONE IN SORGENTE

Danni alla forma

Gocce freddeFacile da realizzare Forma in 3 parti

Maggiore tempo riempimento

Maggiore boccame

Gradiente termico sfavorevole


Fonderia 69


Altri sistemi di colata

DALL’ALTO A PIOGGIA DAL BASSO A STELLA A PETTINE

A ZEPPA VERTICALE CON ALIMENTATORE CIECO

IN DUE TEMPI


Fonderia 70


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


Fonderia 71


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)


Fonderia 72


Nota la portata posso calcolare la sezione Astr

VgAstr = ---------------

t r vstrVerificare 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


Fonderia 73


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 ……


Fonderia 74


T Tr d

T Tr' d

T Tr d

T Tr d

V 2

T r' = tempo di riempimento diV 2

Meccanismi di danneggiamentodella forma per irraggiamento

Riempimento di gettidi forma particolare


Fonderia 75


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


Fonderia 76


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 - h22 )

esempio 3: parete verticale non affiorante

h1h2


Fonderia 77


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 H2sin α 2 sin α

componente verticale = Fv = 1 γ b H22 tan α

componente orizzontale = Fo = 1 γ b H22

F


Fonderia 78


esempio 5: parete circolare affiorante

H

F

componente verticale = Fv = π γ b r24

componente orizzontale = Fo = 1 γ b H22


Fonderia 79


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


Fonderia 80


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.


Fonderia 81


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


Fonderia 82


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


Fonderia 83


Forma e modello


Fonderia 84


Scelta del piano di separazione


Fonderia 85


Eliminazione sottosquadri

problema soluzioni


Fonderia 86


5. Realizzazione tirate d’aria

Fasi della formatura


Fonderia 87



Fonderia 88


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


Fonderia 89


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


Fonderia 90


Influenza dell’evaporazione dell’acqua superficiale e condensazione negli strati piùprofondi


Fonderia 91


Legante

naturaleargilla o bentonite

forti 16%semigrasse 6-16% materiale di colatamagre 5-8% peso del gettosilicee


Fonderia 92


ariaTa CO2

Na2O . x SiO2 + CO2 -> Na2CO2 + SiO2indurimento

fornocampi alta frequenza

a caldo aria caldautensili caldiradiazione infrarossa

breve (sec)tempi medio (min)

lungo (ore)


Fonderia 93


Lavorazione delle terre

terra usata sabbia nuova

rottura zolle essiccazioneseparazione parti metallichesetacciaturaseparazione delle polveri acqua

agglomerantenero minerale

dosaturamolazzaturadisintegrazione

formatura

Molazza


Fonderia 94


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”


Fonderia 95


Pezzo con una superficie piana

Pezzo forato

Esempi di forme allestite


Fonderia 96


L / D >> 1

L / D


Fonderia 97


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


Fonderia 98


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


Fonderia 99


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


Fonderia 100


Colata in forma ottenuta con polistirene espansoVantaggi:

- forma in un’unica staffa- assenza di bave- parti in sottosquadro - assenza di anime- assenza di angoli di spoglia- riciclo totale della sabbia

Pezzo

Preparazione modello

• stampaggio ad iniezione

• incollaggio delle diverse parti

• verniciatura con polvere di

quarzo/allumina

Svantaggi:

- possibile porosità-finitura superficiale modesta

Polycastmetallo fuso

gas

pse

sabb

ia

sabb

ia


Fonderia 101


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)


Fonderia 102


Formatura alla CO2Si 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.


Fonderia 103


• 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


Fonderia 104


•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)


Fonderia 105


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


Fonderia 106


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


Fonderia 107


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 )


Fonderia 108


Conchiglia parziale: ruota per veicolo ferroviario

Conchiglia parziale: cilindro di laminatoio

Anche in forme parzialmente metalliche


Fonderia 109


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.


Fonderia 110


macchina a camera oscillante:

• riempimento

• compressione

• estrazione1

2 3

Iniettofusione


Fonderia 111


macchina a pistone tuffante


Fonderia 112


Macchina a camera orizzontale

Pressofusione

Macchina a camera verticale

compressione

estrazione

riempimento


Fonderia 113


Struttura macchine

camera calda

camera fredda


Fonderia 114



Fonderia 115


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 - r22 ) ]

r1

r2


Fonderia 116


CONCHIGLIA RAFFREDDATA

ω

Colata centrifuga orizzontale Colata centrifuga verticale

Colata semicentrifuga di una ruota colata con centrifugazione


Fonderia 117


A combustilie- solido- liquido- gassoso

Elettrici- a resistenza- ad arco

• indiretto (radiante)• diretto

- ad induzione• bassa frequenza• alta frequenza

Forni


Fonderia 118


Carica: strati alterni di

- coke

- fondente

- metallo

Cubilotto


Fonderia 119


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)


Fonderia 120


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.


Fonderia 121


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


Fonderia 122


Esempio: pistone in lega AL


Fonderia 123


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


Fonderia 124


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)


Fonderia 125


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


Fonderia 126


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


Fonderia 127


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


Fonderia 128


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


Fonderia 129


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


Fonderia 130


Incurvamento cricche schiacciamento staffa

Difetti di forma


Fonderia 131


sollevamento staffa disallineamento forma disallineamento anima

120


Fonderia 132


Rottura della forma, distacco di zolle


Fonderia 133


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

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