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• Cosa si verifica dopo la fusione

I metalli sottoposti a riscaldamento aumentano le propriedimensioni. Il valore della dilatazione termica è caratteristicodei materiali, ma è variabile a seconda delle temperature. Ilcosiddetto coefficiente di dilatazione termica si misurapertanto in condizione particolari: si calcola il valore mediodell'allungamento di una barretta di 1 m sottoposta a unincremento di di 1 °C entro precisi intervalli di temperature.

La dilatazione termica di un materiale portato al punto difusione può essere notevole, specialmente per masse didimensioni ragguardevoli. Di essa si dovrà tenere contodurante il raffreddamento, perché lo stesso materiale saràsoggetto al fenomeno del ritiro.

Il ritiro lineare percentuale, che riguarda in particolar modoi materiali lavorati in fonderia, si misura sui diversi materialinell'intervallo tra la temperatura di fusione e la temperaturaambiente (20 °C).

Nelle lavorazioni di fonderia si deve tener conto del ritirolineare per le dimensioni finali del pezzo (il cosiddetto getto).Quindi le dimensioni della cavità che il metallo fuso andràa riempire, dovranno essere maggiorate rispetto a quelledesiderate per il getto.

Ma il ritiro è anche causa di notevoli inconvenienti duranteil raffreddamento; letensioni tra parti esternepiù fredde e nucleo an-cora caldo possono crearerotture, incrinature, ca-vità e risucchi interni algetto.Pertanto alcuni materialisono più adatti alle lavo-razioni di fonderia,mentre altri lo sono dimeno: un minore ritiropercentuale caratterizza imateriali da fonderia.

SCHEDA DI APPROFONDIMENTO

Fonderia

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FUSIONE

• Perché si verifica

Gli atomi di una sostanza allo stato solido sono ordinatisecondo strutture reticolari caratterizzate da gradi di simmetriacui corrispondono determinate forze di legame. Per effettodell'energia interna che possiedono gli atomi, questi hannola possibilità di scostarsi, oscillando, dalla posizione diequilibrio imposta dalle forze di legame nella strutturacristallina.

Somministrando calore aumenta l'energia cinetica degli atomie quindi aumenta lo scostamento dall'equilibrio; quando l'energiainterna raggiunge valori tali da vincere le forze di legamereticolare, gli atomi sono in condizione di allontanarsi dallaposizione rigida imposta dalla struttura cristallina e di assumereuna configurazione disordinata tipica dello stato liquido.

• Quando si verifica

La temperatura alla quale un solido fonde è detta punto otemperatura di fusione e simantiene costante sino aquando tutto il corpo non èpassato allo stato liquido. Laquantità di calore che bisognafornire all'unità di massa, allatemperatura di fusione, è dettacalore latente di fusione.

L'andamento della tempe-ratura di una sostanza puradurante il riscaldamento èrappresentato dal diagrammain figura 1. In essa con t1 et2 sono indicati i tempi diinizio e fine della fusione econ Tf la temperatura di fu-sione. Nel caso di sostanzenon pure, e in particolare le-ghe metalliche, le curve di ri-scaldamento possono pre-

La fusione è il passaggio di una sostanza dallo stato solidoallo stato liquido per somministrazione di calore.

TEMPERATURA ECALORE LATENTE DI FUSIONE

DEI PRINCIPALI METALLI(a pressione atmosferica)

ElementoTemperaturadi fusione

(°C)

Calore latentedi fusione(kcal/kg)

alluminioargentocadmiocobaltocromoferromagnesiomolibdenonicheloropiomboplatinoramestagnotitanio

660,0960,5320,9

1495,01880,01535,0650,0

2622,01453,01063,0327,4

1773,01083,0231,9

1670,0419,5

94,625,313,062,067,065,079,069,073,815,85,9

26,548,914,3

100,024,4zinco

tem

pera

tura

tempo

Tf

t2t1

Figura 1

tem

pera

tura

tempo

Ti

t2t1

Tf

Figura 2

sentare andamenti diversiin funzione della compo-sizione chimica; inoltre,come accade per le sostan-ze amorfe o vetrose, spes-so esse non presentanoun punto di fusione, bensìun intervallo di tempera-ture in cui la fusione sirealizza (vedi figura 2).

Queste due grandezzevariano da materiale a ma-teriale, ma, in condizionidi pressione costante, so-no ben definite per ognu-no di essi.

Copyright © 2011 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6237/DER]Questo file è una estensione online di Scienze e tecnologie applicate di Sergio Sammarone.

RITIRO LINEARE PERCENTUALEDI ALCUNI MATERIALI

Acciaio (C = 0,3 %)Acciaio (C = 0,8 %)Ghisa biancaGhisa grigiaBronzo (Sn = 10%)Bronzo (Sn = 18%)Ottone (Zn = 30%)Leghe leggereStagnoZincoPiombo

1,67%1,54%1,50%1,00%0,77%1,30%1,60%

1,25 ÷ 1,55 %0,70%1,60%1,10%

Le forze interatomiche all'interno diun solido possono essere schematizzatecome molle elastiche, gli atomipossono oscillare intorno alle posizionidi equilibrio della struttura.

In un liquido le forze interatomichesono più deboli e consentono agliatomi di scivolare l'uno sull'altro; lasostanza non ha più una sua formama acquista quella del suo contenitore.

SOLIDO LIQUIDO

• Il processo tecnologico

In modo molto essenziale il processo consiste in:

1. Realizzazione del modello delmanufatto in materiali facilmentelavorabili (legno, gesso, cera, re-sine). Talvolta, oltre al modellovero e proprio, si costruisconoin materiale refrattario le animeche vengono inserite nella formaper occupare il posto delleeventuali cavità presenti nel pezzofuso.

2. Creazione della forma ottenutaper calco dal modello e cheospiterà nelle sue cavità il mate-riale fuso; dovendo la forma re-sistere al calore rilasciato dalmateriale fuso, essa viene rea-lizzata in materiali refrattari, qualiterre e sabbie (per metalli ad altopunto di fusione), o metallici (permateriali a basso punto di fu-sione). Al suo interno si creanoa n c h e d e l l e c a v i t à p e rl'immissione e la fuoriuscita delmateriale fuso.

3. Colata del materiale fuso nellaforma e suo raffreddamento.

4. Liberazione del getto dalla forma(distaffatura) e sua finitura (eli-minazione di bavature, levigaturae trattamento delle superfici).



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Fonderia

LA FONDERIA

La fonderia è la tecnologia che consente di creare manu-fatti industriali o artistici (detti getti) portando a fusionei materiali, colandoli in forme di materiale refrattario efacendoli raffreddare in modo da far loro acquisire laforma desiderata.

A seconda del tipo diproduzione le fonderiepossono essere, in diversamisura, meccanizzate edanche automatizzate; lameccanizzazione si ritrovasoprattutto nel reparto fu-sione, in quello di prepa-razione delle terre ed an-che nei trasporti delle terrestesse ai singoli posti dilavorazione.

Le fonderie si distinguo-no in funzione del tipo dimateriali da fondere.

Formatura

Modello con anime

Colata

Finitura del getto con rimozione dei canalidi fusione.

Controllo dei getti allo spettro-fotometro.

SCHEMA DEL CICLODI FONDERIA

• Lo stabilimento di fonderia

La complessità del ciclo di lavorazione di un getto, le differentitecniche di fonderia adatte al manufatto da realizzare, l'apportodi attrezzature e figure professionali molto specializzatehanno determinato una articolazione degli stabilimenti invari reparti che prendono il nome dalla lavorazione che inessi viene svolta. Pertanto nelle fonderie di tipo industrialesi trovano i reparti principali e secondari elencati di seguito.

Fonderie per acciaio

Oltre ai reparti tipici delle fonderie, queste spesso posseggonolaboratori per prove non distruttive sui getti mediante raggiX, isotopi radioattivi, ultrasuoni e metodi per il rilevamentodelle "cricche" (difetti o incrinature dei getti).

Fonderie per ghisa

Sono provviste di forni di fusione che raggiungono altetemperature, quali forni elettrici e cubilotti (forni per rottamiferrosi); spesso presentano reparti per trattamenti termicidei getti.

Fonderie per metalli non ferrosi pesanti

Fondono materiali (quali piombo, zinco, rame, stagno, nichel)in leghe varie (quali bronzo, ottone, alpacca, ecc.). Sonodistinte in fonderie a pressione, in conchiglia e a colata centrifugaaseconda del processo impiegato.

Fonderie per leghe leggere

Trattano pani di leghe di alluminio ed altri elementi, fusi inforni elettrici a resistenza o preferibilmente in forni adinduzione a bassa frequenza, più agevoli ed economici.

Colata in un reparto di fonderiacompletamente automatizzato.Questi reparti lo sono spesso a causa dellecondizioni di lavoro particolarmente difficili.

5. Controllo del getto con pro-cedimenti di laboratorio(chimico, meccanico-tecnologico, ecc.).

Getto grezzo Getto finito

Progettazionee disegno

Esecuzionemodello e anime

Preparazionedella forma

Ricomposizionedella forma

Colata

Raffreddamentoe solidificazione

Distaffaturae finitura

Controllo

REPARTI PRINCIPALI

ModellaturaFormaturaFusioneFinituraControllo

REPARTI SECONDARI

FalegnameriaDeposito modelliLaboratorio materiali da formaturaLaboratorio chimico-fisicoLaboratorio meccanico-tecnologico

REPARTI DI UNO STABILIMENTO DI FONDERIA

SCHEDA DI APPROFONDIMENTOFonderia

PROGETTAZIONE DEL MODELLO

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esse devono presentare un'inclinazione opportuna dettaspoglia o sformo. L'angolo di inclinazione delle pareti consformo è limitato a 1° ÷ 1°30'; alle pareti interne di cavità efori si dà una maggiore inclinazione: l'angolo raggiunge inquesto caso i 15°.

Raffreddamento regolareUn raffreddamento diseguale nelle diverse parti di un gettopuò essere causa di rotture, cricche e deformazioni, per viadi un ritiro irregolare. Pertanto si devono raccordare paretidi spessore differente, ridurre parti massicce che solidifichinoin tempi molto diversi dalle parti sottili.

Riduzioni delle tensioni di ritiroNervature perpendicolari e contrapposte ad una parete,durante il raffreddamento possono generare forti tensioniopposte; disponendo le nervature in posizione obliqua sifacilita lo scarico delle tensioni e si evitano rotture.

• Modello

Per modello s’intende il complesso delle parti necessarie arealizzare la forma di fusione. Esse possono essere:• corpo di modello, che riproduce la forma esterna dell'oggetto

da fondere;• casse d'anima, per le cavità da ottenere nel getto;• sagome, per ottenere la forma in terra o sabbia mediante

traslazione o rotazione.Si dice inoltre modello di lavoro quello usato per realizzaredirettamente la forma; mentre viene chiamato primo modelloquello che serve per realizzare altri modelli.

Getto grezzo.

Getto finito.

Corpo di modello. Cassa d'anima.

Forma con canali di colata e di scarico.

Forma con anima pronta per la colata.

Modello a sagoma (a raffetto) permodellare la sabbia con traslazionisuccessive.

Modello a sagoma per modellare lasabbia mediante rotazione.

Anima.

• Progettazione dei modelli

Il pezzo da realizzare, deve essere concepito e disegnato inmodo da favorire le seguenti condizioni:

Facilità di colataIl materiale fuso presenta spesso difficoltà a fluire neglispigoli, pertanto è opportuno fornire gli spigoli vivi di raccordie smussi.

Facilità di estrazioneSenza modificare so-stanzialmente la formadel pezzo si possonoevitare difficoltà allafuoriuscita del modellodalla forma, Se si hannosuperfici parallele alladirezione di sformatura,

Nella figura asinistra è errata ladisposizione dellenervature, mentre adestra è corretta.

In fase di progettazione del modello si deve tenere contomolto accuratamente di altri due fattori:

Il ritiro in fase di raffreddamentoIl metallo raffreddandosi nel vano lasciato libero dal modello,subisce una riduzione delle dimensioni;L'entità del ritiro, diversaper ogni metallo, è datadalla seguente tabella:Per ottenere getti con ledimensioni prescritte sidovrà dunque maggio-rare le dimensioni delmodello di una percen-tuale uguale al ritiro. Inpratica il modellatore fauso di metri speciali, cheriportano le indicazioni già maggiorate secondo il metalloda fondere; per esempio il metro per la ghisa grigia è di 1010mm diviso in 1000 parti, per l'alluminio è di 1017 mm divisoin 1000 parti.

Il sovrammetalloLe superfici che dovranno sottostare ad una ulteriore lavora-zione alle macchine utensili sono provviste, a cura dellostesso modellatore, di un sovrammetallo, cioè dello spessoreche si dovrà asportare in lavorazione a mano o a macchina.Lo spessore del sovrammetallo è un dato suggerito dallapratica e dipende dal genere di metallo fuso e dalla estensionedella superficie da lavorare: può andare da 1,5 a 8 mm.

Tenendo conto del ritiro e del sovrammetallo, si preparaun disegno del modello in scala 1:1. Tale disegno è punto-base per la costruzione del modello, per la collatura (evitadistorsioni al modello), per la messa a punto delle cassed'anima, per l'esecuzione delle portate d'anima, per il posi-zionamento del modello nella forma.

s

s

s

s

ss

Profilo di modello con gli angoli di sformo.


RITIRO DEI METALLI DA FONDERIAGhisa grigiaGhisa biancaGhisa sferoidaleAcciaioBronzo (Sn = 20%)Ottone (Zn = 30%)AlluminioLeghe leggere

1,00%1,50%0,80%1,60%1,54%1,58%1,70%

1,40 %



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Fonderia

COSTRUZIONE DEL MODELLO nei quali su un fondo piano sono fissati per costipazione imodelli, in modo che ne sporga una metà (o delle metà dimodello) coi corrispondentiattacchi di colata infissi inmodo stabile. Si distinguonoplacche-modello scomponibiliove i modelli sono intercam-biabili e fissati su una piastradi acciaio o ghisa e placche-modello ove piastra e modelloformano un pezzo solo (perproduzioni in grande serie).

Le placche modello sonousate in prevalenza nella for-matura meccanica. Le lorodimensioni si stabilisconosempre in base alle possibilitàdelle macchine formatrici disponibili. Si possono avereplacche-modello a doppia faccia (una faccia con le parti delmodello corrispondenti alla staffa superiore, l'altra faccia conquelle della staffa inferiore), ma si preparano altresì placcheseparate per le staffe inferiore e superiore.

• Materiali da costruzione per modelliDeterminanti per la scelta del materiale sono numero econformazione delle fusioni da produrre, e i procedimentidi formatura prescelti.

Oltre ai materiali tradizionalmente più diffusi, quali illegno e i metalli, si usano anche materiali di recente adozionecome le plastiche e le resine.

LEGNO. Sempre ben stagionato, se ne usano le seguentiessenze:

- tenere tiglio, ontano, abete (sono preferite nei grandimodelli e nei modelli economici);

- dure noce, quercia, pero, melo, bosso (si impieganoper modelli di grande durata).

METALLO. Per la formatura di grandi serie si costruisconoanche modelli in metallo, praticamente indistruttibili; i metallipiù usati sono:

- leghe pesanti (ottone, leghe di zinco o di piombo;- ghisa;- leghe leggere.

GESSO. Materiale tradizionale per modelli d'arte.

CERA. Anch'essa materiale per modelli d'arte e di oreficeria.

MATERIE SINTETICHE. Le materie plastiche sono molto usatein campo automobilistico per i modelli a perdere (utilizzaticioè una sola volta). Tra esse figurano:

- resine epossidiche, poliuretaniche, polistirolo- multistrato resinato (strati sottili di legno duro impregnati

con resine).

• Preparazione dei modelliNella preparazione dei modelli di materia plastica si usanodue procedimenti: colata e laminazione.

Il primo è praticamente uguale al procedimento praticatoper la preparazione dei modelli metallici. Per ottenere getticon superficie migliore, la forma non è in terra, come nel casodei modelli metallici, ma in resina sintetica; in tal modo risultasuperflua una successiva lavorazione del modello ottenuto.

REALIZZAZIONE DI UN MODELLO DI MATERIA PLASTICACON IL PROCEDIMENTO DI COLATA

1 - Primo modello 2 - Spruzzaturacon sostanza chefacilita il distacco

3 - Colata dellaforma negativa

4 - Sformatura delmodello originario

5 - Colata delmodello di lavoro

6 - Sformatura delmodello di lavoro

Nel processo per laminazione si rinforza la materia plastica,inglobandovi tessuti di fibra di vetro. Variando le aggiuntedi indurente nei singoli strati si possono produrre modellimolto resistenti all'usura ed elastici.

I modelli in gesso si usano come primi modelli e perplacche-modello. Si dicono placche-modello certi dispositivi,

Placche modello a una faccia (sopra)e a due facce (sotto).

• Classificazione dei modelli

I modelli per fonderia si possono classificare in:• modelli per esterni (a tutta vista, transitori, su placca, a

sagoma, a raffetto);• modelli per interni (o casse d'anima).

I modelli si distinguono con colori diversi in funzione delmateriale da usare nella fusione.

Placca modello ingesso e cera per una fusioned'arte.

Realizzazione di unaforma negativa in resina;da essa si ricava ilmodello di lavoro.

COLORAZIONE DEI MODELLI

Ghisa Rosso cinabroAcciaio e ghisa malleabile Azzurro oltremareBronzo ed ottone Giallo arancioLeghe leggere Grigio chiaroParti del getto da asportare Strisce nere sul colore corrispondentePortate d'anima NeroAltri metalli



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TERRE DA FONDERIA

Realizzato il modello, si eseguono le forme entro le quali sieffettua la colata. Esse si realizzano mediante le terre difonderia, cioè un impasto di sabbia quarzosa e argilla.

Il quarzo è un materiale refrattario, cioè che non fonde allatemperatura dei metalli durante la colata. L’argilla invece hala funzione di agglomerare il quarzo rendendo plasmabilee compatto l’impasto.

Queste terre vengono preparate mediante un prolungatorimescolamento con l’aggiunta di acqua, che conferisceall’argilla il caratteristico potere legante.

Finezza

PROPRIETÀ DELLE TERRE DA FONDERIA

Refrattarietà Resistenza a rammollire o fondere a contatto colmetallo fuso.

Plasticità Attitudine ad assumere e mantenere la forma impressadal modello nei minimi particolari.

Permeabilità Attitudine ad assorbire i gas disciolti nel metallo(CO, H2 , N2), l’aria e l’umidità contenute nellaforma, evitando difetti del getto.

Ridotte dimensioni dei grani che danno al gettosuperfici lisce.

Consistenza Coesione dei grani in grado di resistere alle operazionidi formatura e di colata.

Solo le terre formate da sabbia e argilla, mescolate nel giusto rapporto,posseggono le proprietà suddette.

• Lavorazione delle terre

Le terre nuove e quelle rigenerate conl’aggiunta di correttivi (carbone in pol-vere, sostanze organiche, ecc.) passanoalle macchine operatrici che provvedonoalla molazzatura, alla disintegrazionee alla setacciatura.

La terra viene anzitutto passata neltrituratore, che ne spezza i grani, poinella molazza, che la impasta e fa aderireun velo di allumina su ogni grano;

• Terre rigenerate

Le terre già usate perdono le loro qualità sotto l’effetto dell’altatemperatura. Queste terre “invecchiate”, dopo opportunotrattamento, sono riutilizzabili. La rigenerazione è effettuatacon separatori magnetici, che eliminano i frammenti dimetallo ferroso, e con setacci che selezionano la grossezzadei grani. Con l’aggiunta di terre “nuove” si ottiene unamiscela riutilizzabile nel ciclo produttivo.

All’impasto di sabbia e argilla si addizionano anche discretequantità di:

• polvere di carbon fossile, che rende più lisce le superficidel getto;

• polvere di carbon coke, che aumenta la permeabilità e larefrattarietà;

• agglomeranti (bentonite, cemento, silicati, resine, ecc.) cheaumentano la consistenza della forma.

La molazzaconsiste in unavasca metallica incui ruotano duegrossi cilindri dighisa durissima,posti a una certadistanza dal loroasse di rotazione.La terra immessanella vasca vieneenergicamentetriturata,mescolata,agglomerata.

Trituratore a cilindri

I disintegratori a nastro (sopra)separano i grani di terra molazzataspingendoli in aria ed operandoanche una utile aerazione. Analogafunzione compiono i disintegra-tori a paletta (a destra).

Setaccio

Setaccio rotativo

Con questa preparazione si ottengono le terre da modello,che si usano per il primo strato di copertura del modelloe che vengono a contatto col metallo fuso.Per completare il riempimento della forma si utilizzanoinvece le terre da riempimento, ottenute da terre vecchiesetacciate e depolverate.

quindi viene immessa nel disintegratore, che ha il compitodi separare i grumi. Infine la terra viene passata attraversocrivelli e setacci di vari tipi, dal più semplice (una rete metallicafissata su un telaio di legno) a quelli rotativi.

• Esame della forma dei grani di siliceIl rilievo della forma dei grani di silice si effettua con ilmicroscopio binoculare che, in-grandendo i grani stessi, neevidenzia il contorno.

Tale microscopio, costituitoin realtà da due microscopi in-clinati di 20° l’uno rispettoall’altro, dà un’immagine tridi-mensionale che consente, nonsolo una buona distinzione tragrano e grano, ma anche la di-stinzione tra grani tondeggiantie grani appiattiti.

• Determinazione del contenuto di argilloideSi considera argilloide (tabella UNI 4628) la parte fine dellaterra con diametro dei grani < 0,02 mm e velocità di sedi-mentazione pari a 25 mm/min;l'argilloide ricopre come unamalta, i granelli di silice, ce-mentandoli fra loro. La sua de-terminazione, sfruttando la di-versa velocità di deposito rispettoai granelli di silice di dimensionimaggiori, si effettua con le se-guenti fasi:

• distacco dell’argilloide dallasilice;

• separazione mediante sedi-mentazione;

• eliminazione mediante sifo-natura.



La condotta dell’analisi è la seguente:• si versa il residuo sabbioso, oppure nel caso di una sabbia,

un campione di 50 g sul setaccio superiore;• si dispone sulla pila il coperchio e si avvia l’agitatore,

tenendolo in funzione per 15 minuti, ad una frequenza di300 vibrazioni al minuto;

• trascorso tale tempo, si arresta l’agitatore e si lascia riposareil tutto per 2 minuti;

• si smonta gradualmente la serie di setacci e si raccoglie concura il residuo rimasto su ogni setaccio, che va pesato sudi una bilancia con approssimazione di 0,1 g;

• si pesano i vari residui per calcolare l’indice di finezza.

• Determinazione delle sostanze scomponibili con il caloreCon l'aggiunta di acido cloridrico sul provino si possonodeterminare le sostanze, quali carbonato di calcio, carbonatodi manganese e carbonato di magnesio, che alla temperaturadi colata del metallo, si scompongono per calcinazioneliberando anidride carbonica, che sgretolerebbe la forma.

• Determinazione del punto di sinterizzazioneSi definisce punto di sinterizzazione la temperatura alla qualeuna terra o una sabbia mostra segni di fusione incipiente.La ricerca consiste nel riscaldare la terra in forno, raffreddarla,osservare il residuo e saggiarlo con una punta metallica.

• Determinazione della permeabilitàLa permeabilità è l’attitudine di una terra a lasciarsi attraversaredai gas e dai vapori.

In un materiale da formatura, sia esso terra, oppure sabbia,si possono determinare:• la permeabilità di base, cioè la permeabilità di una sabbia

o di una terra, privata dell’argilloide;• la permeabilità a verde, ovvero la permeabilità di una terra

inumidita con una certa quantità di acqua;• la permeabilità a secco, cioè la permeabilità di una terra o

miscela, formata ad umido e poi essiccata e indurita.

Nel caso di permeabilità a verde la provetta va lasciata nellostampo in cui è stata preparata, mentre per la permeabilitàa secco, essa deve essere estratta e quindi essiccata.

La prova si esegue con un apparecchio chiamato permeametrocon il quale si fa attraversare il provino da un determinatovolume di aria (in genere 1000 o 2000 cm3), alla pressionemassima di 10 cm di colonna d’acqua.

La prova consiste nel misurare il tempo impiegato da unvolume d’aria per attraversare un provino di terra, posto inuna campana sottovuoto, e la pressione raggiunta dall’arianella campana.

• Determinazione dell’indice di finezzaLa finezza di una terra viene determinata mediante analisigranulometrica del residuo sabbioso proveniente dalla deter-minazione dell’argilloide.

Per far ciò il residuo, costituito da quel che resta della terradopo l’eliminazione dell’argilla, viene introdotto in una seriedi setacci disposti su un agitatore.

Chiude la pila, un recipiente a fondo chiuso, chiamato perquesto fondo, in cui si raccolgono i prodotti con dimensionidei grani minori di 0,05 mm.

Sifonatura dell'argilloidesedimentato

Silice a grani tondeggianti

Serie di setacci su agitatore.

Coperchio

Setacci

Agitatore

Motore

Fondo

PROVE FISICHE SULLE TERRE

6

0

1000

2000

Valvola a tre vie Manometro

Provino

Bossolo

Portabossolo

Campana

Contenitore

PermeametroLuce delle maglie Fattore

3,35 3

1,7 5

0,85 10

0,6 20

0,425 30

0,3 40

0,212 50

0,15 70

0,106 100

0,075 140

0,05 200

Fondo 300

SERIE DI SETACCI UNI 2332

• Prova di resistenza al taglio a verde

Serve per determinare lo sforzo massimodi taglio che una terra o un materiale diformatura può sopportare senza rom-persi. La prova si esegue con gli stessi appa-recchi utilizzati per la prova di com-pressione, dove però le ganasce a piattellipiani, che serrano il provino, sono so-stituite da altre due ganasce, con superficia risalto.

Con tali piattelli la provetta è serratasolamente per metà della superficie dibase, in modo che lo sforzo che si esercitasu di essa è tale da provocare lo scorri-mento di una metà sull’altra.



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PROVE MECCANICHE SULLE TERRE

22,3

6

22,3

6

170

22,36

22,3

6

70

50,8

50,8

PROVETTE UNIFICATE

per taglio ecompressione

per flessione

per trazione

• Prova di resistenza a compressione a verde

Viene eseguita sulla apposita provetta e tende ad accertare losforzo massimo che la terra può sopportare, senza rompersi,quando è sottoposta alla pressione della lega fusa ed agli urtigenerati dalla caduta del metallo dentro la forma. Si puòeseguire con l’apparecchio a leva Zambelli, oppure conl’apparecchio oleodinamico Ficher.

L’apparecchio Zambelli è costituito da una leva di secondogenere, fulcrata nel punto O ed equilibrata con il contrappesoC; il carico si applica alla provetta mediante pallini di piombo,fatti cadere con gradualità nel secchiello posto all'estremitàdella leva stessa, sino alla rottura della provetta.

Il carico di rottura F è dato dalla relazione F = P a/b, dove Pè il peso dei pallini (in newton), mentre a e b sono i braccidelle leve. Di qui si ricava la resistenza a compressione

Rc = F / S (N/cm2)

in cui S è la sezione trasversale della provetta.

a

b

Contrappeso C

Fulcro O Provetta

Serbatoiodi pallini

• Prova di resistenza a trazioneLa resistenza a trazione di una terra da fonderia è il caricomassimo di trazione che la terra può sopportare senzarompersi. Si determina con una provetta di forma particolareformata ad umido mediante uno stampo scomponibile equindi essiccata. Nello stampo la terra viene pressata con lostesso maglietto usatoper la prova di com-pressione dotato,però, di un pressa-terra di forma ugualealla forma del provi-no.

La prova si eseguecon l’apparecchio Fi-cher con cui è possi-bile applicare allaprovetta uno sforzo ditrazione azionandomanualmente il vo-lantino, sino alla rottura della provetta.si ottiene dalla relazione:

Rm = F / S (N/cm2)in cuiF = carico di rottura in newton (letto sulla macchina);S = 5 cm2 (sezione intermedia del provino)

Apparecchio Zambelli per le prove di compressione delle terre

Dispositivo per laprova di taglio

Dispositivo per la prova di trazione

Ganascia fissa Ganascia mobile

Provetta Perni di trazione

La resistenza a taglio si ottiene dividendo il carico di rotturatotale per la sezione longitudinale del provino (5 x 5 cm =25 cm2), ossia:

Rt = F / 25 (N/cm2)

• Prova di resistenza a flessioneLa resistenza a flessione di una terra e di una sabbia perfonderia è il carico di rottura di un provino di formaparallelepipeda, sol-lecitato in mezzeriaperpendicolarmenteall’asse di simmetria.Generalmente questaprova viene eseguitasu provini di mate-riale per anime, a cuisi dà forma ad umido,mediante stampo emaglietto e quindisuccessivamente es-siccati o cotti.viene eseguita conl’apparecchio Ficher per mezzo di un’attrezzatura con cuiè possibile caricare la provetta appoggiata su due cuneiposti ad una distanza di 150 mm l'uno dall’altro, con uncarico applicato in mezzeria, fino alla rottura.

A rottura avvenuta si legge, sulla scala interna del ma-nometro selezionato, il carico di rottura P (in newton) cheha provocato la rottura della provetta.

Quindi si calcola la resistenza a flessione con la formula:

Rf = Mf / Wf (N/cm2)doveMf (momento flettente) = P · l/4Wf (modulo di resistenza a flessione) = bh2/6 = h3/6(essendo b = h).

Cuneo

Supporto

Dispositivo per la prova di flessione



FORMATURA DELLE TERRE

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• Formatura a mano

Lunga e costosa, questaformatura viene utilizzatasolo per lavorazioni artigia-nali di pezzi singoli o dipiccola serie. Le terre ven-gono immesse nelle staffe(contenitori a forma di cassa)coprendo il modello e ven-gono pressate mediantepestelli. Mediante aghi sipraticano nella terra le tirate d'aria (fori per lo sfogo dei gas).

Dopo l'estrazione del modello dalla terra si compionoriparazioni e lisciature delle superfici della forma.

• Formatura a macchina

È usata nella produzione industriale perché è più veloce edeconomica e garantisce una precisione più elevata ai getti.In questo tipo di formatura, a causa delle elevate pressioni,non si usano modelli in legno ma in metallo o plastica,oppure sono impiegate le placche modello.

Le macchine usate per riempire le staffe e comprimere leterre sono:

• macchine a compressione;• macchine a scossa;• macchine lanciaterra.

Macchine a compressione. Sono costituite da un bancone,su cui poggiano modello e staffe, e da un compressore acomando idraulico che compie una corsa; le macchine a corsadiscendente comprimono dall’alto la terra sul modello, mentrele macchine a corsa ascendente comprimono il modello controla terra.

• Formatura al verde

Si realizza con terre magre, cioè con poca argilla e moltasabbia, che per l’elevata umidità e porosità facilitano lafuoriuscita di gas e vapori.

Questo tipo di formatura è senz’altro più economica perchéconsente un discreto risparmio di tempo e combustibile.

• Formatura prosciugata

Richiede terre grasse, cioè ricche di argilla, e pertanto piùconsistenti, che dopo la formatura debbono essere essiccatecon forni o stufe; questa formatura fornisce getti di migliorequalità, ma è più costosa e lunga. L’acciaio e la ghisa sifondono con questo tipo di formatura perché il raffreddamentopiù lento non altera la struttura del metallo.

Macchine a scossa. Siusano quando i modellisono complessi; median-te urti impressi alla staf-fa, la terra si assesta riem-piendo bene tutte lecavità del modello.

Macchine lanciaterra. Siadoperano quando i mo-delli sono molto grandi;sono costituiti da una pa-letta rotante, che per effet-to della forza centrifugaspinge con forza la terraentro la staffa.

Staffe

ATTREZZI PER LA FORMATURA A MANO

Ago

Battola

MazzuoliCazzuole

Spatole

Uncini

Soffietto Lisciatoi

Macchina a corsa ascendente

Staffa Modello

Stantuffo

Staffa

Macchina a scossa

Macchina lanciaterra

Uscitaaria

Entrataaria

• Fusibilità

Per fusibilità s'intende l'attitudine di un materiale adessere lavorato con la tecnica di fusione.

Un materiale che abbia una buona fusibilità deve avere:

• alta fluidità quando è allo stato liquido (colabilità), in mododa riempire la forma in tutte le cavità;

• basso cofficiente di ritiro durante il raffreddamento, perevitare rotture o cricche;

• scarso rilascio di gas, per evitare porosità e soffiature (bolled'aria) nei getti.

Materiali di ottima fusibilità sono il bronzo e la ghisa; le leghedell'alluminio presentano una buona fusibilità a condizionedi adottare durante la fusione particolari accorgimenti pereliminare gas e ossidi. Gli acciai sono invece meno fusibili perl'alta temperatura di fusione e soprattutto per il rilevante ritiro.

• Leghe del ferroSenz'altro sono le più importanti per gli usi industriali, acausa della loro versatilità, resistenza ed economicità. Il ciclosiderurgico dalla affinazione della ghisa greggia, ottenutadall'altoforno, produce due tipi di leghe ferrose: la ghisa el'acciaio.

La ghisa, o megliola ghisa di seconda fu-sione, cioè la ghisa dafonderia, contiene inmedia il 3,5% di car-bonio. È un materialeduro, fragile, partico-larmente resistenteall'usura, poco dilata-bile dal calore e dibuona colabilità perl'esteso intervallo ditemperatura nel qualesi mantiene liquida.Dalla ghisa si otten-gono getti sani e compatti, anche di notevole complessità,per realizzare monoblocchi e testate di motori, basamenti dimacchine, giranti di turbine, ecc.

L'acciaio, con percentuale media di carbonio dello 0,8%, èun materiale di straordinaria versatilità; le sue caratteristichepossono variare notevolmente a seconda degli elementi aggiuntialla lega ferro-carbonio e dei trattamenti termici cui può esseresottoposto: molto elastico e deformabile (acciai al silicio e acciairicotti), oppure tenacissimo e quasi indeformabile (acciaitemprati e fortementelegati). Gli acciai pre-sentano gli inconve-nienti della ossidabilità(tranne gli acciai inox)e la mediocre fusibilità.


MATERIALI DA FONDERIA

• Leghe del rameQueste leghe sono principalmente l'ottone ed il bronzo, moltousati in fonderia.

L'ottone è una lega di rame e zinco, utilizzata in metallurgia(rame 50 ÷ 70%) e per fusioni d'arte (rame >70%). Per la

• Leghe dell’alluminioSono anche dette leghe leggere, per la caratteristica leggerezzadell'alluminio; quest'ultimo presenta anche alta malleabilitàe duttilità, ottima fusibilità, resistenza mediocre (notevolmenteaccresciuta in alcune sue leghe, come il duralluminio).

Le leghe leggere da fonderia, oltre all'alluminio, contengono:

• rame (per carter,ruote, pistoni);

• silicio (per oggetti dispessore sottile comecilindri, pompe, ca-salinghi);

• magnesio (per partiresistenti alla corro-sione marina);

• zinco (per pezzi conbuona resistenzameccanica, comemotori aeronautici).

• Metalli preziosiOro, argento e platino sono tradizionali nell'oreficeria, spe-cialmente nella fusione a cera persa.

• Materie plasticheLeggere, economiche, resistenti, hanno segnato la più recenteepoca delle tecnologieindustriali.

L ' inquinamentoambientale prodottodalle difficoltà dismaltimento dei rifiutiè l'aspetto più deleteriodel loro impiego. Perpressofusione sonovastamente utilizzatenei campi più dispa-rati: dai casalinghi allasanità, dalla meccanicaall'informatica.

buona resistenza a corrosione e l'aspetto dorato e lucente,sono di largo impiego per rubinetteria, valvole, maniglie,parti navali.

Il bronzo è una lega di rame e stagno, con percentualemassima del 32% di quest'ultimo. Se durante la fusione ilraffreddamento è lento si ottengono bronzi tenaci, se è rapidoi bronzi sono duri. Nelle fusioni d'arte ad una elevata percen-tuale di rame (90%), si aggiunge anche l'1% di zinco che neaumenta la colabilità e conferisce una gradevole colorazionedorata. Bronzi specialisi ottengono conl'aggiunta di altri ele-menti (silicio, piombo,manganese, allumi-nio, ecc.). Oltre agli usiartistici e per campa-ne, il bronzo è impie-gato per parti di mac-chine, cuscinett i ,bronzine, molle, in-granaggi.

Basamento di motore in ghisa.

9Copyright © 2011 Zanichelli Editore SpA, Bologna [6237/DER]Questo file è una estensione online di Scienze e tecnologie applicate di Sergio Sammarone.

Biella e pistone in lega leggera.

Riduttori di pressione in bronzo.

Giunto cardanico in acciaio.

Ingranaggio in plastica (Ø11 mm).


10

FUSIONE IN CONCHIGLIA

Getto finitoImmissione del pistoneColata a gravità

• Proprietà delle conchiglieLe conchiglie sono forme permanenti metalliche.

Impiego:produzione in serie di getti in alluminio, rame o ghisa, diforma relativamente semplice e di modeste dimensioni.

Vantaggi:- risparmio di tempo;- impiego durevole della forma;- migliore finitura superficiale dei getti;- dimensioni più precise dei getti;- velocità di raffreddamento (maggiore durezza superciale

del getto);- buona resistenza meccanica (uso nella pressofusione).

Svantaggi:- costo elevato;- difficoltà di sformatura;- scarsa porosità per lo sfogo dei gas;- raffreddamento veloce (talora nocivo per il getto).

• Costruzione delle conchiglieNella progettazione delle conchiglie va prestata particolareattenzione a:- grado di conicità delle anime per fori;- rapporto diametro-lunghezza dei fori;- spoglia;- ritiro, in relazione al grado di difficoltà delle anime;- sovrametallo di lavorazione.

Materiali usati per le conchiglie sono:ghisa di qualità, acciaio, ottone, rame, leghe di alluminio,miscele grafite-argilla e carbone per elettrodi.

Caratteristiche dei materiali per le conchiglie:- buona resistenza alla corrosione e all’ossidazione a caldo;- elevata resistenza meccanica;- elevata resistenza all’usura;- buona conduttività termica e stabilità alle alternanze

termiche.

• Tecniche di colata in conchigliaOltre alla tecnica della pressofusione, illustrata in seguito, leconchiglie vengono impiegate con modalità diverse di colatadel materiale fuso.

Conchiglie per colata a gravità

Le conchiglie per colata a gravità (detta anche normale otradizionale) sono forme metalliche scomponibili in più partiin cui si distinguono:• corpo di sostegno,

munito di guide discorrimento;

• conchiglia vera epropria , divisa in dueparti scorrevoli sulcorpo di sostegno;

Conchiglie per colata a gravità e pistone tuffante

La colata in conchiglia e pistone tuffante (colata Cothias) èun procedimento nel quale il metallo o la lega allo stato fusoviene versato nella conchiglia e, prima che inizi la solidifica-zione, un pistone con una forma esterna uguale a quella chesi vuol far assumere all’interno del getto, entra nella conchigliaove rimane fino a che è avvenuta la solidificazione. Serve perprodurre getti aperti da un lato.

Conchiglie per colata a gravità e rovesciamento

Il metallo viene colato nella conchiglia, che viene rovesciataquando il metallo si è solidificatoper un certo spessore, in modo dasvuotarne la parte ancora liquida. Lacolata a rovesciamento è utilizzataper produrre piccoli oggetti caviinternamente di leghe di stagno,zinco,ecc. Con questo procedimentosi ottengono statuine, manici e og-getti simili, per i quali non hannoimportanza lo spessore e le irrego-larità delle superfici interne.

Conchiglie per la colata centrifuga

La colata centrifuga è un sistema particolare di colata concui si fabbricano tubi in ghisa di dimensioni rilevanti.

La conchiglia è costituita da una forma metallica cilindrica,fatta ruotare attorno al proprio asse, in cui viene versata, conun apposito canale, la lega fusa. Per effetto della rotazione,il metallo liquido è spinto contro le pareti e nel raffreddamentoassume la conformazione di un tubo.

La colata centrifuga può essere realizzata:

• in conchiglia raffreddata per tubi fragili da trattare termica-mente;

• in conchiglia riscaldata per tubi pronti all’uso;• in conchiglia rivestita di terra refrattaria.

Con il primo metodo, a causa del veloce raffreddamento, siproducono tubi molto fragili che devono subire un trattamentodi malleabilizzazione.Con il secondo e terzo metodo invece si ottengono tubi dotatidi una struttura regolare e uniforme, che non richiedonoulteriori trattamenti.

Tipo di acciaio Tipo di lega da colare18 NiCrMo5 UNI 7846 Leghe di rameUX 25CrMo5 UNI 2955 Leghe di alluminioU 28W 9 UNI 2955 Bronzi d’alluminio

ACCIAI PER LA COSTRUZIONE DELLE CONCHIGLIE

Colata a gravità in conchiglia

Conchiglia aperta


• anima centrale per la formatura della cavità del getto;• perni per la formatura della cavità del getto.

Busto ottenuto con colata agravità e rovesciamento.



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glossarioSinterizzazione è un processo tecnologico destinato alla produzionedi oggetti porosi, detti sinterizzati, e consiste nel comprimere polverimetalliche entro stampi e riscaldarle a temperatura inferiore a quelladi fusione. Il processo consente, fra l’altro, di agglomerare metalli nonlegabili allo stato fuso.

PRESSOFUSIONE

La pressofusione è un metodo speciale di colata in conchiglia.Il metallo, tenuto a temperatura poco più alta di quella di

fusione, viene aspirato e poi spinto e pressato dal pistonenella forma metallica, ove solidifica rapidamente.

Il contatto del metallo con le pareti metalliche della formaconsente di ottenere superfici levigate; inoltre l'elevata pres-sione di iniezione consente la penetrazione del metallo ancheentro fenditure assai sottili della conchiglia.

• ImpieghiCon la pressofusione si possono ottenere grandi serie di getticon alti ritmi produttivi (1500 pezzi/ora).

I getti possiedono elevata finitura superficiale, buonacompattezza e notevoli caratteristiche meccaniche.

La pressofusione è impiegata per produrre getti in materialia basso punto di fusione, quali le leghe di stagno, piombo,zinco, alluminio.

• Costruzione delle conchiglieLa pressofusione richiede conchiglie che resistano a notevolisollecitazioni.

I materiali per le conchiglie devono possedere:• buona resistenza alla corrosione e all’ossidazione a caldo;• elevata resistenza meccanica;• elevata resistenza all’usura;• buona conduttività termica e stabilità alle alternanze termi-

che.

I materiali utilizzati per le conchiglie sono:• acciai comuni per getti di metalli a bassa temperatura di

fusione come zinco, piombo e stagno;• acciai fortemente legati contenenti tungsteno, cromo e

molibdeno;• materiali a base di tungsteno come l’Anviloy per la colata

dell’ottone;• materiali sinterizzati a base di tungsteno, molibdeno,

columbio e tantalio.

• Pressofusione a camera caldaNel le macchine ac a m e r a c a l d a i lforno di fusione faparte della macchi-na e i l disposit ivod'iniezione è collo-cato nel crogiolo.

I l crog io lo , sca l -da to da un fornoc o n b r u c i a t o r e ,contiene il metallofuso, che attraversoun foro viene aspi-rato dal pistone en-t r o l a c a m e r ad'iniezione e di quiv i e n e c o m p r e s s onella conchiglia at-traverso un iniettore.

La conchiglia è costituita da uno stampo fisso e dauno stampo mobile , scorrevole entro perni di guidae che quindi può essere rimossa, con sistemi oleodi-namici, per l'espulsione del getto solidificato.

• Pressofusione a camera freddaLa differenza sostanziale rispetto al metodo con cameracalda consiste nel fatto che in questo caso il metallo vienefuso in un crogiolo separato.

Nelle macchine a camera fredda la camera d'iniezioneè collegata direttamente alla parte fissa della conchiglia;il materiale fuso viene introdotto di volta in voltadall'operatore nella camera d'iniezione attraverso unapposito foro. L'azione del pistone, comandato da sistemaoleodinamico o idraulico, comprime il materiale fusoentro la cavità della conchiglia.

Anche in questo caso la conchiglia può essere apertaper rimuovere il getto mediante estrattori.

Pistone

Cameradi iniezione

Estrattori

Stampomobile

Stampofisso

Pressofusione a camera fredda

Pressofusione a camera calda

Estrattori

Stampo mobile

Stampo fisso

Iniettore

Bruciatore

Pistone

Camera di iniezione

Metallo liiquido

Crogiolo

La conchiglia deve essere progettata in modo che,dopo l'apertura, i l getto sia trattenuto dalla partemobile e possa essere rimosso solo con l'azione diestrattori; questi sono perni disposti entro fori ricavatin e l l a c o n c h i g l i a e c o m a n d a t i d a m o l l e c h e ,all'apertura della conchiglia, provocano l'espulsionedel getto.

• il secondo modello(modello in cera) èe s t r a t t o d a l l aconchiglia;

• si completa il modelloapplicandogli i canalidi colata, gli sfoghid’aria, ecc;

• si riveste il modellocon un miscuglio disil ice (o quarzo,zirconio, allumina,magnesia);

• s i procede al laformatura con terraspeciale costituita dapolvere di si l iceagglomerata con unlegante;

• la forma così costruita viene lasciata in riposo per 12 - 24ore per eliminare l’eccesso di liquido e consentire il processodi presa;

• con il calore si scioglie e si elimina la cera;• si può procedere alla colata;• si esegue la sformatura e la finitura del getto.



12

memo

La fusione artistica è una delle attività di fonderia più antiche e, per il bronzo, risale a circa 3500 anni a.C. Già nei tempi antichi sono stati fusipezzi artistici, in più parti saldate mediante flange interne (come nel caso del colosso di Rodi, 280 a.C.). La fusione artistica è oggi eseguita mediantecolata in sabbia a grano particolarmente fine, in modo da realizzare superfici lisce; spesso la formatura è realizzata con la tecnica di fusione a cerapersa. I materiali usati per le fusioni artistiche sono bronzi, ghisa, alluminio, in minor misura stagno e zinco.

MICROFUSIONE

La microfusione prevede la formatura mediante modelli inmateriale facilmente fusibile (cera o resine termoplastiche)che viene liquefatto ed eliminato.

Questa tecnica, a causa della perdita del modello perliquefazione, viene anche detto fusione a cera persa.

Il procedimento nelle sue applicazioni nel campo artisticoe nel campo industriale è così schematizzato:

• costruzione del modello in cera o resina termoplastica;• formatura con sabbia fine;• liquefazione ed eliminazione del modello;• colata del metallo fuso.

Mediante microfusione si ottengono industrialmente gettianche complessi, con alto grado di finitura e precisione(tolleranza di qualche centesimo di mm). In genere i gettihanno dimensioni ridotte (max 150 mm).

Lo svantaggio di questa tecnica consiste nel dover preparareun modello per ogni copia del getto.

Le cere usate per i modelli non devono essere tossiche esi possono distinguere nelle due famiglie delle paraffine edegli esteri.

• Materiali lavorati per microfusioneI materiali possono essere sia ad alto che a basso punto difusione; ma questo processo è particolarmente adatto, sia intermini economici che tecnici, per leghe ad alto punto difusione (leghe inossidabili al nichel e al cromo, leghe specialial cobalto, ecc.). La microfusione è meno vantaggiosa nelcaso di leghe a basso punto di fusione (leghe dell'alluminioe del magnesio), lavorabili in conchiglia o per pressofusione.

• Processo di lavorazione per microfusionePer la riproduzione su scala industriale di getti con ilprocedimento di microfusione si procede così:

• si costruisce il primo modello in metallo oppure in leghefusibili (ottone) se si richiede un’alta precisione, con ledimensioni già maggiorate della misura prevista per il ritiro;

• attorno a questo modello si cola la conchiglia in metallo abassissimo punto di fusione (per esempio una lega stagno-bismuto);

• nella conchiglia ricomposta si cola sotto pressione la cerao la resina termoplastica allo stato liquido;

Per aumentare la produzione si possono raggruppare piùmodelli in cera (anche centinaia) in modo da formare deigrappoli: ogni modellino è collegato con asticciole di cera aicanali di colata eall’esterno per lo sfogodell’aria.

Per la sformatura delgetto si fa ricorso amezzi energici (mar-te l lo pneumatico,sca lpe l l i ) , perchél’impasto essiccato ecotto è duro e resi-stente.

Rivestimento di un grappolodi modelli in cera perimmersione nella silice.

Primomodello

Conchigliadal primomodello

Colatadella cerain conchiglia

Secondomodelloin cera

Immersionenella silice

Fusionedella cera

Formaturadella sabbia

Colata delmetallo fuso

Gettogrezzo

Gettofinito

PROCESSO DI MICROFUSIONE

Sul modello in cera si applicano cilindrettiin cera per i canali di colata.



13

FORNI

Forno è un ambiente in cui si produce calore con diversisistemi allo scopo di portare ad una certa temperaturail materiale in esso caricato (detto carica) e di otteneredeterminate trasformazioni chimico-fisiche.

Il riscaldamento è ottenuto con vari mezzi a seconda delmateriale da trattare, della sua temperatura di trasformazione,e delle caratteristiche che gli si vogliono conferire. Ogni tipodi forno richiede il corredo di altri elementi accessori per ilcorretto funzionamento, per la sorveglianza e l’automazionedei processi.

• Tipi di forniI forni si possono dividere secondo:

• la fonte energetica (combustibile o elettricità);• lo scopo (per fusione o per riscaldo);• le modalità di funzionamento (continui o intermittenti).

Tutti i forni sono costituiti da un’intelaiatura metallica disostegno che avvolge le pareti, la volta, opportunamentesagomata per riflettere il calore sul materiale, e la suola sucui esso viene posato. L’impianto è inoltre corredato da portemobili a tenuta, piani di caricamento, valvole per l’estrazionee il filtraggio dei fumi prodotti, dispositivi di sorveglianzadei fenomeni e di allarme, strumenti di misura. Nei forni acombustibile esiste inoltre un focolare, dove avviene lacombustione, e un camino per l'aspirazione dei gas combusti.

• Forni a combustibileEssi possono essere alimentati da combustibile:• solido (carbone);• liquido (nafta);• gas (metano).

Si distinguono per la forma, le dimensioni, la disposizioneinterna, oltre che per il regime di funzionamento e le tempe-rature raggiunte. È importante però raggrupparli a secondache il materiale da trattare si trovi:- in contatto con il combustibile (altoforno e cubilotto);- separato dal combustibile, ma a contatto con i gas prodotti

dalla combustione (forni a riverbero);- separato da entrambi (forni a muffola).

In generale il loro rendimento termico è alquanto basso;sono più adatti al funzionamento continuo ed è impegnativoautomatizzarli.

Forni elettrici a resistenze

Il calore è prodotto per effetto Joule per il passaggio dellacorrente nei corpi riscaldanti (resistenze); non vi è contattocon il materiale da lavorare.

Forni elettrici a induzione

Essi possono ulteriormente essere distinti in:• a bassa frequenza;• ad alta frequenza.

In quelli a bassa frequenza il contenitore, a forma di anello,è l’avvolgimento secondario di un trasformatore e il caloregiunge al materiale per le notevoli correnti così indotte.

In quelli ad alta frequenza, sul contenitore è avvolta unabobina percorsa da corrente ad alta tensione e frequenza; lecorrenti indotte, oltre a fondere il materiale, gli danno untipico moto di rotazione utile per un corretto rimescolamento.

Forni elettrici ad arco

Il calore è prodotto da un arco voltaico che si innesca:

• fra due elettrodi di potenziale differente ed arriva al materialeda lavorare per irraggiamento (fig. a);

• fra gli elettrodi e la suola del forno ed arriva al materiale dalavorare per la resistenza elettrica della carica (fig. b);

• fra un elettrodo e la suola, e da questa ad un altro elettrodo;il calore è prodotto da entrambi i fenomeni sopra citati (fig. c).

• Forni elettriciA seconda del modo in cui l'energia elettrica si trasforma incalore, essi vengono divisi in tre grandi categorie:• forni elettrici a resistenze;• forni elettrici a induzione;• forni elettrici ad arco.

a b c

Forni elettrici ad arco

Forno a riverbero

Forno elettrico a bassafrequenza.

Forno elettrico ad alta frequenza.

Contenitore

Bobinainduttrice

Avvolgimentoprimario

Contenitoreanulare

Metallofuso

Nucleo

Volta

Porta del focolare Porta di carica Carica

Camino

SuolaCrogioloCombustibile



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CUBILOTTO che la temperatura della ghisa sia la massima ottenibile conla percentuale prescelta di coke di carica.

Conduzione del cubilotto. Si preriscalda il cubilotto bruciandocoke; quindi si mette in funzione la soffiante per breve tempo(3 - 5 min); si carica il forno, dopo aver regolato l’altezza delladote di coke, e si insuffla aria. La ghisa fusa si raccoglie nellazona del crogiolo, o cola direttamente nell’avancrogiolo.

Apparecchi di misura. Per pesare i singoli costituenti dellacarica, si usa una bilancia di carica, fissa o mobile. Al fine dicontrollare la marcia del forno si impiega uno strumento chemisura la portata dell’aria. Perturbazioni di marcia nel forno(per esempio arresti), si rivelano con dispositivi misuratoridella pressione del vento. Il controllo della temperatura dellaghisa può effettuarsi mediante termocoppie, o strumenti dimisura ottici.

• Cubilotto a vento caldoI princìpi costruttivi di base per un cubilotto a vento caldosono gli stessi di quelli per un cubilotto a vento freddo. Mail profilo del forno non è sempre cilindrico.

Gli attuali impianti di cubilotti utilizzano in prevalenza ilsistema a recuperatore per il preriscaldamento dell’ariacomburente. I più usati sono quelli nei quali l’aria comburenteè preriscaldata sfruttando il calore del gas di scarico del forno.I gas aspirati dal cubilotto sono a tale scopo inviati in unrecuperatore, ed ivi cedono il loro calore all’aria comburente.

Si distinguono tre tipi di aspirazione del gas:a - aspirazione poco sotto la bocca di carica;b - aspirazione poco sopra la zona di combustione;c - aspirazione poco sopra la bocca di carica.

Nei processi, di cui ai punti a) e c), si sfrutta preferibilmentel’energia termo-chimica del gas di cubilotto (bruciando conaria il suo contenuto in ossido di carbonio), mentre nelprocesso, di cui al punto b), soltanto il calore sensibile delgas del forno serve al preriscaldamento del vento. Inoltreanche per i cubilotti a vento caldo si impiegano ricuperatoririscaldati con gas caldi, che non sono quelli scaricati dalcubilotto. Essi presentano il vantaggio di una più facileregolazione. Per mantenere costante il profilo interno delforno, i cubilotti a vento caldo sovente sono raffreddati conacqua. È frequente l’uso di tubiere di rame, anch’esse raffred-date con acqua.

Inviando aria calda a 400 °C circa si conseguono indubbivantaggi nella condotta del forno:

• il funzionamento è più regolare;• la produzione oraria aumenta del 20% e il consumo di coke

diminuisce;• il tenore di zolfo nella ghisa diminuisce;• si ottiene ghisa più calda e più carburata.

Il cubilotto è un forno fusorio usato solo per la prepara-zione della ghisa per fusione.

• Cubilotto a vento freddoIl corpo cilindrico (di diametro 500 ÷ 1500 mm) è formatoda un mantello di lamiera d’acciaio rivestito internamente direfrattario. Il vento condotto dalla soffiante passa attraversougelli che regolano massa e velocità dell’aria insufflata. Letubiere sono per lo più di ghisa ed hanno sezione circolareo rettangolare.

Processo di combustione. Il vento si riscalda molto rapida-mente e brucia il coke, con formazione prevalente di anidridecarbonica. Questo processo ha luogo nella zona di combustione,in cui il contenuto di anidride carbonica raggiunge il suovalore massimo. La reazione CO2 + C → 2CO costituisce ilprocesso predominante. Al contrario della reazione di com-bustione, fortemente esotermica, questa seconda reazione èendotermica. La zona del forno ove ha luogo questa reazione,è detta zona di riduzione.

Comportamento della carica metallica nel cubilotto. La ghisametallica, di pezzatura medio-piccola nella parte superioredel tino, si riscalda ad opera dei gas combusti in ascesa. Lacarica raggiunge, nella zona di riduzione, il punto di fusione(detta anche zona di fusione). Quindi gocciola sul coke,attraverso la parte inferiore della zona di riduzione e la zonadi combustione, dove viene riscaldata a temperature oltre ilsuo punto di fusione (zona di surriscaldamento), e dove subisceparticolari alterazioni di composizione. Infine, insieme conla scoria formatasi, raggiunge la zona di raccolta; oppurepassa direttamente nell’avancrogiolo.

Potenzialità di fusione e temperatura della ghisa. Esse dipen-dono dalla portata del vento e dal quantitativo di coke dellacarica. È conveniente regolare la marcia del forno, in modo

Cubilottoa vento freddo.

Cubilotto a ventocaldo conrecuperatore a fasciotubiero scaldato dagas esterno.

Canaledi colata

Canaledelle scorie

Condottadel ventoCamera

del vento

Tubiera

Ugello

Camino

Mantello

Bocca dicaricamento

Refrattario

Avancrogiolo

Soffiante

Cubilotto

Canaledi colata

Recuperatorescaldato dagas esterno

• sabbiatrici a tunnel:i getti vengono in-trodotti in una gal-leria da un nastrotrasportatore;

• sabbiatrici idrauli-che: il flusso è disabbia e acqua.

Le graniglie sonorealizzate in forme emateriali diversi:• leghe ferrose (gra-

niglia da filo d’acciaio, graniglia di acciaio o ghisa a spigolivivi, ghisa in pallini);

• leghe non ferrose (alluminio in pallini, graniglia da filo diottone)

• materiali non metallici (polveri di quarzo, carburo di silicio,corindone, perline di vetro).


FINITURA DEI GETTI

• DistaffaturaDopo la colata e la solidificazione del materiale fuso, siprocede alla distaffatura, cioè la liberazione del getto dallestaffe e dalla forma.È una operazione che si può eseguire a mano, con appositiestrattori, oppuremeccanicamente conl’ausilio di scuotitori atavola vibrante; essisottopongono la for-ma, poggiata su unagriglia, ad una azionedi scuotimento chedistacca la terra dalgetto, facendola caderenella griglia.

• SterraturaServe ad eliminare i residui di terra rimasti sulle superficidel getto. Si effettua a mano mediante raschietti, scalpelli espazzole metalliche, o meccanicamente con spazzole rotantie scalpelli pneumatici.

• SbavaturaConsiste nella elimi-nazione di bave, ma-terozze, montanti ecanali di colata. Peroperazioni manuali siutilizzano scalpelli,cesoie o seghe circo-lari; per operazionimeccaniche si impie-gano mole fisse oportatili, cannelli perossitaglio, segatrici.

• SabbiaturaÈ una lavorazione molto diffusa nell’industria, che realizzauna ottima pulitura delle superfici del getto, con tempi e costicontenuti. L’operazione di sabbiatura ha lo scopo di• pulire a fondo il getto;• ridurre la rugosità superficiale;• preparare il pezzo ad ulteriori lavorazioni o trattamenti;• consentire la rilevazione di difetti superficiali (incrinature,

fessurazioni).

Le macchine che compiono questa lavorazione (sabbiatrici)sottopongono il getto ad violento lancio di graniglia, cioèpolveri silicee o metalliche, sotto l’azione di turbine o aspiratori.

Tra i vari tipi di sabbiatrici si possono citare:

• sabbiatrici a barile (oa tamburo): i getti, didimensioni medie opiccole, sono caricatidentro un tamburorotante;

• sabbiatrici a tavolarotante: i pezzi, anchedi grandi dimensio-ni, sono disposti suun piatto rotante;

• Trattamenti finali su getti artisticiSe il pezzo è composto da diversi getti da assemblare, siprocede alla saldatura, sfruttando anche eventuali flange ostaffe che consolidano la struttura. Si rimuovono con molegli eventuali eccessi del cordone di saldatura e si levigano lesuperfici lungo le giunzioni con getti di sabbia e acqua.Si passa quindi alla finitura superficiale con ceselli, frese,patinatura con sostanze chimiche protettive o coloranti,lucidatura con polvere finissima di pomice o bicarbonato disodio, cera d’api o paraffine.

• Trattamenti finali su getti industrialiAlla sabbiatura possonoseguire:

• trattamenti termici(tempra, rinvenimento,ricottura, ecc.) oppuretermochimici (ce-mentazione, ecc.);

• trattamenti superficiali,quali rivestimenti gal-vanici (cromatura,ecc.), verniciatura, lu-cidatura.

Graniglia a pallini. Graniglia a spigoli vivi.

Finitura con cesello.

Scuotitore a tavola vibrante.

Scalpellatura dei canali di colata.


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Sabbiatrice a tunnel.

Rubinetto ottenuto da getti in ottonecromato.

Sabbiatrice a barile.



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DIFETTI E PROVE SUI GETTI

• Difetti dei gettiNelle applicazioni di fonderia si possono riscontrare i seguentidifetti rilevabili con le prove non distruttive.

• Prove non distruttiveIn questo ambito hanno dato il loro contributo le prove nondistruttive (PnD), sia come metodologia di prevenzione dianomalie e disservizi, che elevando il livello di sicurezza dicomponenti e impianti.

Poiché non danneggiano il materiale o il componente inprova, la loro applicazione va dalla fase di accettazione delmateriale base, ai controlli intermedi e finali durante lafabbricazione in servizio e durante le fermate dell’impiantoper la manutenzione.

Le PnD sono basate su principi fisici diversi e, per questomotivo, possono rivelare diversi tipi di discontinuità o difettidel materiale. Le più utilizzate nell’industria sono:• Ultrasuoni (US);• Radiografia (RX);• Correnti Indotte (CI);• Magnetoscopia (MS);• Liquidi Penetranti (LP);• Rivelazione Fughe (RF).

• La qualitàEssa ha un ruolo importante nell’ambito delle attività pro-duttive e di servizio. Per la norma UNI ISO 8402, la qualitàviene definita come l’insieme delle proprietà e delle caratte-ristiche di un prodotto o di un servizio che conferiscono adesso la capacità di soddisfare esigenze espresse o implicite.

DIFETTO DESCRIZIONE PROVA

Inclusioni endogene

Inclusioni esogene

Coni di ritiro e ritirisecondari

Soffiature

Porosità omicroporosità

Riprese di colata

Segregazioni

Sacche d’aria

Soffiature oporosità superficiali

Cricche superficiali

Cricche interne

Cavità di ritiro

Si producono volutamente, sono minuscole particelle che rimangono intrappolatenel bagno liquido.

Particelle di scoria o refrattarie trascinate dal metallo liquido che rimangonointrappolate nel bagno.

Cavità che si producono in testa ed all’interno del getto a causa della contrazionedel metallo durante la solidificazione e il raffreddamento.

Cavità tondeggianti isolate che si producono quando i gas espulsi dal metallorimangono intrappolati nella solidificazione.

In relazione alla loro dimensione sono moltitudini di piccole cavità di gas raggruppatein volumi più o meno estesi.

Visibili sulla pelle del getto si estendono in profondità. Si producono a causa diun’interruzione della colata durante la quale si è avuta l’ossidazione della superficie.

Concentrazioni di impurezza localizzate ai bordi dei grani situate nella zona centrale,cioè nell’ultima zona che si solidifica e sono gli elementi con il più basso puntodi solidificazione del bagno.

Cavità che si producono a causa di sacche di aria inglobate nel getto, rimaste nellaforma durante il processo di colaggio. Si verifica tale difetto specialmente nelprocesso di pressofusione.

Cavità di gas molto allungate e spesso aperte alla superficie.

Si producono a causa del guscio solidificato di spessore molto irregolare per effettodell’azione fluidostatica del cuore ancora fuso.

Zone segregate con tenori di zolfo e altri elementi chimici superiori al normale.

Difetti tridimensionali senza ossidi nel loro interno, che scompaiono nelle successivelavorazioni plastiche.

non sono rivelabilicon le comuni PnD

US

US, RX, LP, MS

US, RX

US, RX

US, LP, MS

US

visivo, US, RX

visivo, US, RX

LP, MS, CI

US

US, RX

Analisi radiografica di una scultura antica in bronzo.

Cricca da raffreddamento. Porosità (microinclusioni) da gas. Porosità (macroinclusioni superficiali) da gas.

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