fonderia seconda parte

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Dipartimento di Sistemi di Produzione Dipartimento di Sistemi di Produzione ed Economia delled Economia dell’’AziendaAzienda

Tecnologia MeccanicaTecnologia Meccanica

La solidificazione dei getti• Il fenomeno del ritiro

Temperatura

Volume specifico

Ta Tf Ti Tc

V1

V2

V3

V4

Contrazione infase liquida

Contrazione infase di solidificazione

Contrazione allo statosolido



Esempio

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La solidificazione dei getti• La formazione del cono di ritiro



La solidificazione dei getti• La formazione del cono di ritiro

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• Definizione: il modulo termico (M) di un getto èpari al rapporto tra il Volume e le sue superfici di scambio termico.

Il concetto di modulo termico



Metodi per il calcolo di M

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La solidificazione dei getti

A parità di volume maggiore è il modulo termico maggiore è il tempo di solidificazione.

x

x



La solidificazione direzionale

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Esempio



Dimensionamento sistema di alimentazione

Suddividere il getto in forme elementari e calcolare i moduli di raffreddamento.

Verificare la direzione di solidificazione.Definire le zone che richiedono di alimentazione

Per ogni zona predisporre una materozza di opportuno modulo (metodo di Caine).

Verificare il raggio di influenza (numero delle materozze).

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Il sistema di alimentazione• Generalità.



Il metodo dei cerchi inscritti

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Moduli termici di getti complessi

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Quando il getto ha una forma complessa occorre:• Scomporre il pezzo in geometrie elementari• Calcolare per ogni parte il modulo corrispondente



Consente di determinare le dimensioni di una materozza che:…1 rilascia la “giusta quantità” di metallo al getto che va

solidificando2 rimane liquida finché il getto (o la parte di esso che viene

alimentata) è solidificato completamente …

Da: A theoretical approach to the problem of dimensioning risersBy J.B. Caine

Metodo di Caine

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BUONI

NONBUONI



Diagramma di Caine

La zona “buona” può essere espressa come:

bcx

ay +−

≥

Dove:• x = modulo materozza/modulo getto = tempo di

solidificazione relativo• y = volume materozza/volume getto = volume relativo• b = contrazione in fase L-S del metallo • c = velocità di raffreddamento relativa materozza-

terra vs getto-terra• a = costante sperimentale (0.1 per gli acciai)

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0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

x=Mm/Mg

y=V

m/V

g

c =1

b =0.03

bcx

ay +−

=



Gli asintotiCoefficiente di contrazione bSe la velocità di raffreddamento della materozza è infinitamente più piccola della velocità di raffreddamento del getto (x ⇒ ∞) il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto è pari alla contrazione del getto stesso.

bVVyallora

MMxSe

g

m

g

m ==∞→=

Velocità di raffreddamento relativa cSe materozza e getto solidificano con la stessa velocità di raffreddamento (ovvero sono entrambi a contatto con la stessa terra) il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto tende all’infinito.

∞→===g

m

g

m

VVyallora

MMxSe 1

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Fissiamo un valore orientativo per x lontano dal ginocchio:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

+−

≥

=→=

bcx

ay

xMMxx

p

m

*

**

Come si sceglie il punto lontano dal ginocchio?



Normalmente le materozze sono acquistate con forme e dimensioni standard

MATEROZZE CILINDRICHE

( )5.15.0 ÷∈= δDH

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( ) ( ) ( )

3

32

333

3

33

2

2

32

)(

144

1444

14

1444

4

44

xkxfy

xVM

MV

DVV

Vy

MxMmaMD

DDH

HD

DHD

HD

SVM

DHDV

DH

p

pm

ppp

m

pmm

m

mm

m

⋅==

+=

+===

⋅=+

=

+

⋅=

+=

+==

==

=

δδπ

δδδπδπ

δδ

δδ

ππ

π

δππ

δ

Fissando il rapporto di forma H/D



( )

( )

( )δδ

δδπ

δ

δδπ

δδπ

12142

144

)(

144

2

23

2

33

3

32

33

−+=

∂∂

+=

⋅==

+=

p

p

p

p

p

p

VMk

VM

k

conxkxfy

ovvero

xVM

y

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 1.05 1.2 1.35 1.5

delta

k

Studiamo la dipendenza da delta:

Minimo in 0.5

Si osserva pertanto che la materozza con delta 0.5 è più efficiente

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Una volta:• scelto il rapporto δ• fissato x = x*si ricava y = y* =Vm/Vg

CURVE ISODELTA

delta

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

x (Mm/mg)

y (V

m/V

g)

delta 0.5 delta 1 delta 1.5

*xx =

*yy =

δ



Materozza coibentata

BUONI

NONBUONI

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0

0.5

1

1.5

2

0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

x

y

c=1 c=0.6

*xx =

*yy =

*yy =

δ=1

*xx =

Una materozza coibentata consente rese maggiori.



Esempio.

t1.jpg t2.jpg t3.jpg

complessivo.avicomplessivo.avi

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Metodo Modulo Termico

Suddividere il getto in forme elementari e calcolare i moduli di raffreddamento.

Verificare la direzione di solidificazione.Definire le zone che richiedono di alimentazione

Per ogni zona predisporre una materozza di opportuno modulo.

Verificare il raggio di influenza (numero delle materozze).



Il raggio di influenza

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R = k S

k parametro funzionedel materiale del getto.Per gli acciai k = 2




= 50 mm

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Il collare di attaccoMaterozze cieche Materozze a cielo aperto

Osservazione Normalmente i collari sono coibentati (con un modulo termico reale intermedio tra pezzo e materozza)



Esempio

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18





19



Esempio

M1 = 15 mmM2 = 13 mmM3 = 11 mm



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Il sistema di colataObiettivo: progettare l’insieme di canalizzazioni che permettono alla lega liquida di riempire la forma.

REGOLE PRATICHE• La forma deve essere riempita rapidamente.• Occorre evitare forti velocità e turbolenze della corrente fluida.• Occorre evitare che la scoria penetri all’interno.• Occorre distribuire la vena fluida in modo contemporaneo nelle

varie parti del getto• (Occorre controllare il gradiente termico)



Il sistema di colataElementi caratteristici:• bacino di colata• canale di colata• canale distributore• attacchi di colata• trappole, filtri, pozzetti

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Sistema pressurizzato

Rapporto delle sezioni

Sc / Sd / Sa

2 / 2 / 14 / 3 / 24 / 8 / 3Sc

Sd

Sa

Il sistema assicura che i differenti canali siano sempre pieni di metallo liquido.



Sistema non pressurizzato

Rapporto delle sezioni

Sc / Sd / Sa

1 / 2 / 21 / 4 / 41 / 2 / 4Sc

Sd

Sa

Il sistema assicura una velocitàridotta ed un moto quasi laminare della vena fluida negli attacchi.Idoneo per leghe che si ossidano facilmente (alluminio, magnesio, titanio)

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Dimensionamento sezioni caratteristiche

Occorre determinare l’area della sezione di strozzatura (sezione minima)Imponiamo un bilancio di massa :

vSt

QS

r

⋅=⋅γ

Dove:• Q = peso del metallo da colare (kgf)• γ = peso specifico del metallo (kgf/m3)• tr = tempo di riempimento (s)• SS= area (complessiva) sezione di strozzatura (m2)• v = velocità metallo nella sezione di strozzatura (m/s)

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

A

C

S

S

SS


Sistema pressurizzato



Il tempo di riempimento consigliato può essere valutato come:

4.032.0

2.3

Qst

oppureQt

r

r

⋅⋅=

=

Dove:• Q = peso del getto (kg)• s = spessore medio del getto (mm)• tr= tempo di riempimento (s)

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Vincoli temporaliIl tempo di riempimento deve essere minore:• del tempo di inizio solidificazione ts delle parti sottili del getto• del tempo di esposizione massimo tc all’irraggiamento da parte della forma

cr

sr

tttt

≤≤

][

][71.1

71.1

sskt

sMkt

Ss

Ms

⋅=

⋅=

Il valore di ts può essere calcolato mediante una di queste formule sperimentali:

Dove:• M = modulo termico del getto [cm]• s = spessore della zona più sottile [cm]• kM, ks = costanti empiriche



Valori indicativi delle costanti k in funzione della temperatura di surriscaldo per getti colati in sabbia silicea.

Valori indicativi del tempo critico di esposizione tc (s).

Forme in terra (verde)Forme ed anime

agglomerate con leganti sintetici

4- 25 s fino a 60 s

kM kS kM kS kM kS kM kSAcciai 2.0 0.6 8.0 3.0 18.0 6.0 30.0 10.0Ghise malleabili e bronzi 3.0 0.9 12.0 3.5 25.0 7.5 45.0 14.0Ghisa grigia e sferoidale 4.0 1.3 15.0 5.0 38.0 12.0 65.0 20.0

SurriscaldoMateriale

50°C 100°C 150°C 200°C

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La velocità nella sezione di strozzatura vale (secondo il principio di Bernoulli):

mHgcv ⋅⋅= 2

Dove:• g = 9.8 (m/s2)• Hm = altezza dal pelo libero (mm)• c = perdite di caricoIn ogni caso la velocità nella sezione di strozzatura deve essere inferiore a 1 m/s per evitare turbolenze ed inclusioni.

Hm



Altezza dal pelo liberoColata diretta Colata in sorgente

2

2 ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ += if

m

hhHhHm =

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Perdite di caricoSistema pressurizzato

• vengono considerate tutte le perdite di carico dal bacino di colata sino alla sezione degli attacchi

• c ≈ 0.5 – 0.65


• vengono considerate le perdite di carico dal bacino di colata alpiede del canale di colata

• c ≈ 0.9



Esempi di sistemi di colata

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Esempi di sistemi di colata



La spinta metallostatica.Per tutto il tempo in cui la lega si mantiene liquida all’interno della forma, ogni punto delle pareti interne della forma stessa è soggetta da una pressione funzione del peso specifico (γ) della lega e della profondità del punto considerato rispetto al pelo libero del liquido (H).

Dove:

p = pressione (kg/m2)

γ = peso specifico liquido (kg/m3)

H = altezza pelo libero (m)

a = larghezza (m)

b = profondità (m)

V = volume (m3)

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La spinta metallostatica.

Dove:

p = pressione (kg/m2)


V1,2,3 = volume (m3)

Vai = volume anima immersa (m3)

Pa = peso anima (m3)

V2V2




Anima verticale

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La spinta metallostatica.Anima mista

Dove:

V = volume evidenziato (m3 )





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I difetti di fonderia.Numerosi parametri influiscono sulla qualità

finale del greggio di fonderia.

• Escrescenze metalliche• Cavità• Soluzioni di continuità• Superfici difettose• Pezzi incompleti



I difetti di fonderia.Escrescenze metalliche• Difetto: bave di piccolo spessore e dimensioni limitate• Cause: giochi negli accoppiamenti, eccessiva temperatura di colata

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Escrescenze metalliche• Difetto: bave di maggiore spessore ed estensione • Cause: eccessiva spinta metallostatica



Escrescenze metalliche• Difetto: distacco di sabbia • Cause: erosione su parti non raccordate, scarsa coesione o scarsa

permeabilità locale della sabbia

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Cavità• Difetto: soffiature • Cause: impedita evacuazione dei prodotti gassosi



Cavità• Difetto: cavità di ritiro • Cause: insufficienza di alimentazione da parte delle materozze

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Soluzioni di continuità• Difetto: fratture a freddo • Cause: eccessive tensioni di trazione causate dal ritiro in fase solida



Soluzioni di continuità• Difetto: cricche • Cause: eccessive tensioni di trazione causate dal ritiro in fase solida in parti

mal raccordate

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Soluzioni di continuità• Difetto: riprese• Cause: incollaggio di due vene fluide unitesi a temperatura troppo bassa o

con superfici ossidate



Superfici difettose• Difetto: “buccia d’arancia”• Cause: terra mal rigenerata o con agenti inquinanti

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Pezzi incompleti• Difetto: pezzo incompleto• Cause: prematura solidificazione di uno spessore sottile

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