Una guida per principianti alla fusione e alla lanciabilità

Qui presentiamo una guida per principianti per il metodo di produzione dei metalli Casting e il termine colabilità. Le sezioni per trattare l'argomento sono le seguenti:

Cos'è il casting?

Processo di fusione: La fusione è solitamente il primo passo nella produzione. Nella fusione, un materiale in forma liquida viene colato in uno stampo dove viene lasciato solidificare per raffreddamento (metalli) o per reazione (plastica). Lo stampo può essere riempito da forze gravitazionali o sotto pressione. La cavità dello stampo viene preparata con cura in modo che abbia la forma e le proprietà desiderate. La cavità è solitamente sovradimensionata per compensare la contrazione del metallo mentre si raffredda a temperatura ambiente. Ciò si ottiene rendendo il modello oversize. Dopo la solidificazione, la parte viene rimossa dallo stampo. Utilizzando il metodo di fusione, è possibile produrre parti grandi e complesse.

Cos'è la colata in sabbia?

Componenti tipici di uno stampo per colata in sabbia in due parti.
Componenti tipici di uno stampo per colata in sabbia in due parti.

Colata in sabbia viene utilizzato per realizzare pezzi di grandi dimensioni (tipicamente Ferro, ma anche Bronzo, Ottone, Alluminio). Il metallo fuso viene versato in una cavità di stampo formata da sabbia (naturale o sintetica). La cavità nella sabbia è formata utilizzando un modello (un duplicato approssimativo della parte reale), che sono tipicamente realizzati in legno, a volte in metallo. La cavità è contenuta in un aggregato alloggiato in una scatola chiamata pallone. L'anima è una forma di sabbia inserita nello stampo per produrre le caratteristiche interne della parte come fori o passaggi interni. I nuclei vengono inseriti nella cavità per formare fori delle forme desiderate. Un riser è un vuoto extra creato nello stampo per contenere materiale fuso in eccesso. In uno stampo in due parti, tipico dei getti in sabbia, la metà superiore, compresa la metà superiore del modello, la beuta e l'anima, è chiamata piviale e la metà inferiore è chiamata trascinamento. La linea di divisione o la superficie di divisione è la linea o la superficie che separa la cimasa e il trascinamento. I getti in sabbia hanno generalmente una superficie ruvida a volte con impurità superficiali e variazioni di superficie.

Cos'è la pressofusione?

Processo di pressofusione
Processo di pressofusione

In pressofusione il metallo viene iniettato nello stampo ad alta pressione. Ciò si traduce in una parte più uniforme, generalmente una buona finitura superficiale e una buona precisione dimensionale. Per molti pezzi, la post-lavorazione può essere totalmente eliminata, oppure può essere necessaria una lavorazione molto leggera per portare le dimensioni a misura. Gli stampi per pressofusione (chiamati stampi nell'industria) tendono ad essere costosi in quanto sono realizzati in acciaio temprato o altri materiali altamente refrattari, inoltre il tempo di ciclo per la loro costruzione tende ad essere lungo. Quindi la pressofusione è una buona scelta per grandi quantità (produzione in serie), mentre fa lievitare troppo i costi per basse quantità. Inoltre i metalli più forti e più duri come il ferro e l'acciaio non possono essere pressofusi. I materiali con punti di fusione relativamente bassi come le leghe di alluminio, zinco e rame sono i materiali prevalentemente (principalmente) utilizzati nella pressofusione. La pressofusione è limitata a parti più piccole fino a 25 kg.

Cos'è la lanciabilità?

Colabilità: Colabilità è un termine, che riflette la facilità con cui un metallo può essere colato in uno stampo per ottenere una colata priva di difetti. La colabilità dipende dal design della parte e dalle proprietà del materiale. Qui ci concentreremo solo sulle proprietà del materiale, che influiscono sulla colabilità.

Proprietà dei materiali che influenzano la colabilità:

a) Temperatura di fusione (o intervallo di temperatura):

La temperatura di fusione è una proprietà importante del materiale per la colabilità. Nella fusione, sono desiderati punti di fusione generalmente bassi, poiché punti di fusione bassi richiedono meno energia per fondere il materiale. La temperatura di fusione deve essere superiore alla temperatura di fusione. Anche la temperatura di colata deve essere regolata in base alla tecnica di colata e alla complessità della colata. La temperatura di colata determina anche la fluidità dei materiali. Per un'elevata fluidità, dobbiamo scegliere una temperatura di colata più alta. Inoltre il punto di fusione influenza anche la selezione del materiale dello stampo. Se la temperatura di fusione è troppo alta, il materiale dello stampo deve essere più refrattario e probabilmente costoso. Il basso punto di fusione è importante anche per una lunga durata degli stampi. I metalli puri e le leghe eutettiche fondono e solidificano a temperatura costante. Le leghe hanno per lo più un intervallo di solidificazione e anche i solidi amorfi (inclusi molti polimeri) non hanno un punto di fusione acuto. Per una buona colabilità di una lega metallica, l'intervallo di solidificazione deve essere piccolo. Se l'intervallo di temperatura in cui sono presenti sia la fase liquida che quella solida è molto elevato, si verificheranno microsegregazione e microporosità. Questo è il motivo per cui le leghe eutettiche (solidificazione a temperatura costante) sono preferite per le leghe da colata.

Temperature di fusione di alcuni metalli e leghe

Temperature di fusione di alcuni metalli e leghe

Temperature di fusione di alcuni metalli e leghe

b) Fluidità:

È una misura di quanto bene il liquido scorrerà e riempirà una cavità dello stampo. Le cavità dei getti di forma complessa richiedono la migliore fluidità. Lo stesso vale anche per il processo di fusione, che utilizza stampi che includono velocità di raffreddamento rapide, come il processo di stampaggio metallico permanente. La scarsa fluidità è meno preoccupante quando il metallo viene colato mediante gesso o processi di microfusione (raffreddamento più lento!) La fluidità non è solo una proprietà del materiale, ma è anche influenzata dalla temperatura di colata, dal tipo di stampo, dalla temperatura dello stampo, ecc. determinare la fluidità in determinate condizioni.

c) Calore latente di fusione:

Il calore latente di fusione è il calore richiesto per unità di massa per cambiare lo stato di un materiale in un altro, cioè da solido a liquido. Per i metalli puri questo calore viene assorbito a temperatura costante. Quando il passaggio da uno stato all'altro avviene in un intervallo di temperatura, non è appropriato definire un calore latente di fusione.

d) Calore specifico:

Il calore specifico (c) è la quantità di energia utilizzata per aumentare la temperatura di 1 kg di materiale di 1 ° C (K). Nel processo di colata generalmente si desidera un calore specifico basso poiché un calore specifico basso si traduce in un basso fabbisogno energetico per raggiungere la temperatura di fusione. Il calore specifico influisce anche sulla differenza tra la temperatura di fusione e la temperatura di colata. Quando i materiali hanno un calore specifico elevato, la differenza tra la temperatura di fusione e la temperatura di colata può essere inferiore, poiché i materiali con un calore specifico elevato non si raffreddano molto facilmente poiché la quantità di energia da rimuovere per il raffreddamento è elevata.

e) Conduttività termica:

Il coefficiente di conducibilità termica influisce sulla velocità di raffreddamento. Determina inoltre il gradiente di temperatura e le sollecitazioni interne dovute alle differenze di temperatura. Perché durante la solidificazione se alcune parti del materiale si raffreddano rapidamente e altre parti del materiale rimangono calde, ci saranno differenze nel ritiro e di conseguenza si possono sviluppare tensioni interne o alcune crepe nel materiale. La velocità di raffreddamento può anche influenzare la trasformazione di fase e la microstruttura di un materiale (es. Trasformazione martensitica in acciaio)

f) Diffusività termica :

Il trasferimento di calore in una fusione solidificata non è stazionario. Quindi è realistico considerare la diffusività piuttosto che la conducibilità. È una misura della velocità con cui un disturbo della temperatura in un punto del corpo viaggia verso un altro punto.

g) Coefficiente di espansione:

I metalli si espandono quando vengono riscaldati e si contraggono quando vengono raffreddati. Di conseguenza, le dimensioni del materiale cambiano durante la solidificazione e il raffreddamento nella cavità dello stampo. Dobbiamo progettare la cavità dello stampo considerando il coefficiente di dilatazione. Generalmente la cavità ha dimensioni maggiori rispetto alla parte desiderata.

h) Resistenza al cracking a caldo:

Durante la solidificazione, il metallo caldo ha una resistenza molto bassa, ma deve restringersi mentre si raffredda. A causa delle differenze di temperatura, ci saranno disallineamenti di deformazione nella parte di raffreddamento. Il modulo di elasticità determina il livello di stress delle tensioni interne che si sviluppano durante il raffreddamento. La duttilità determina se si verificherà un guasto a causa di questi disallineamenti di deformazione. Se vengono prodotte sollecitazioni a causa di qualche fattore che limita la contrazione libera del metallo, il metallo potrebbe non essere in grado di resistere a questa sollecitazione e si verificheranno crepe, note anche come rotture calde. È probabile che lo strappo a caldo sia più problematico negli stampi metallici permanenti che negli stampi in sabbia che sono sufficientemente deboli da poter collassare quando la fusione si restringe.

i) Restringimento:

La maggior parte dei metalli si espande quando riscaldata e si contrae quando viene raffreddata. Durante la solidificazione il volume del materiale diminuirà. Se non vengono prese misure, questo restringimento si tradurrà in difetti di fusione come "lunker" e porosità. L'indennità di ritiro è quindi una delle considerazioni fondamentali durante il dimensionamento dei modelli. La quantità di ritiro è caratteristica per ogni materiale.

j) Tenuta alla pressione:

Il ritiro di solidificazione in alcune leghe crea un numero significativo di vuoti interni piuttosto piccoli. In alcuni casi questi vuoti, chiamati porosità, consentono ai gas di passare attraverso la parete del getto. La tenuta alla pressione è la capacità di ostacolare il passaggio dei gas.

k) Purezza metallurgica:

La purezza metallurgica è un fattore importante per la colabilità. Le impurità possono anche causare sollecitazioni locali quando il materiale si solidifica, quindi come conseguenza di questa situazione aumentano lo strappo a caldo o la criccatura a caldo. Ad esempio negli acciai gli strati di zolfo sono punti deboli per la lacerazione a caldo.

l) Affinità chimica:

Per una buona colabilità, il materiale non deve entrare in reazione con il suo ambiente, che è la muffa e l'atmosfera. Se l'affinità chimica è elevata può verificarsi ossidazione, in alcuni casi il processo di colata deve essere effettuato in atmosfera controllata. In caso contrario, la qualità del getto sarà gravemente compromessa in termini di stabilità dimensionale e integrità interna.

m) Solubilità del gas:

La solubilità in un materiale diminuirà durante la solidificazione e il raffreddamento. Se i gas sono presenti nella fusione e se non possono fuoriuscire, causeranno porosità nella fusione.

n) Pressione di vapore:

Durante la fusione e la colata della lega metallica liquida alcuni elementi possono evaporare dalla fusione e la composizione chimica della lega può cambiare se la loro tensione di vapore è troppo bassa (es. Zinco in ottone).

Fonte: PROPRIETÀ PRODUTTIVE di MATERIALI DI INGEGNERIA Appunti delle lezioni del Prof.Ahmet Aran http://www2.isikun.edu.tr/personel/ahmet.aran/mfgprop.pdf