Capitolo 4 – Processo di colata

4.1 – TIPI DI COLATA

Le leghe di rame hanno l’enorme vantaggio del poter essere immediatamente utilizzate dopo la colata, in particolare quando sono richieste resistenza a sforzi di trazione e/o compressione, resistenza all’usura da contatto (cuscinetti, bronzine, ingranaggi), lavorabilità a freddo, conducibilità termica e/o elettrica, aspetto estetico e resistenza alla corrosione (bronzi artistici, corpi di valvole, componenti vari per l’industria chimica). La grande versatilità del processo di produzione, permette di utilizzare diverse tecniche e svariati materiali per ottenere, nel prodotto metallico finale, le caratteristiche desiderate. Di seguito un elenco delle tecniche più diffuse:

• Colata in sabbia: è una delle tecniche più versatili poiché permette grande varietà di dimensioni, design e qualità dei prodotti unitamente ad una buona economicità nella produzione di modeste quantità di pezzi di qualità medio-bassa. A svantaggio del metodo vi è l’impossibilità di utilizzarlo per colate di alta precisione a causa dell’impossibilità da parte della sabbia di seguire perfettamente uno stampo complesso e per le inevitabili variazioni dimensionali che si verificano al momento della rimozione dello stesso.

• Colata in intonaco: è una tecnica particolare usata per le leghe non ferrose che necessitano di grande accuratezza dimensionale, superfici molto lisce e particolari difficilmente ottenibili con altri metodi più comuni come la colata in sabbia, si sfrutta quando la lavorazione meccanica del pezzo risulta complessa (ad esempio ventole o stampi a rete). Spesso la colata in intonaco viene utilizzata in combinazione con altre tecniche solo nelle zone dei pezzi ove si necessita elevata qualità finale. Gli svantaggi sono legati al costo del materiale, necessario in grandi quantità e non riutilizzabile, ed alla scarsa permeabilità dell’intonaco che richiede l’uso di grandi pressioni da esercitare durante il processo.

• Colata in rivestimento: in questo tipo di colata si utilizza un residuo ceramico compattato su altro materiale, come la cera, in modo da ottenere uno stampo con buone caratteristiche meccaniche. Di questo tipo di processo ne esistono due modalità distinte: a rivestimento solido ed a guscio ceramico. Il primo tipo è ormai pressoché inutilizzato, salvo alcune applicazioni particolari come le protesi dentarie e gli stampi per gioielli, il secondo trova invece larga applicazione in campo aeronautico per la colata di superleghe per pale da turbine. I vantaggi di questo tipo di colata sono molteplici e risiedono nella grande accuratezza dei particolari e nella precisione dimensionale ottenibili nel pezzo con conseguente riduzione della necessità di lavorazioni meccaniche successive e nella possibilità di applicazione su una grande varietà di leghe, comprese quelle che presentano problemi in altri tipi di processi. Negli ultimi cinquanta anni la colata in guscio ceramico ha avuto grande diffusione tale da divenire la tecnica più utilizzata nelle colate di precisione.

• Pressofusione: tecnica utilizzata per molti anni nella colata di leghe di rame è poi caduta in disuso per essere riscoperta negli ultimi tempi come tecnica di precisione. Nella pressofusione una sorgente di energia idraulica spinge il fuso all’interno di uno stampo in metallo che funge da dissipatore di calore, assorbe le tensioni e facilita la rimozione finale del pezzo. La pressofusione è utilizzata per colate in cui il pezzo richieda caratteristiche meccaniche migliorate. Tuttavia non tutte le leghe di rame sono colabili per pressofusione, in genere si usano bronzi all’alluminio e alcuni tipi di ottone. Questo tipo di processo non è utilizzabile per forme complesse o casi in cui vi siano variazioni di sezione.

• Colata in centrifuga: in questo tipo di colata si sfrutta la forza centrifuga per ottenere addensamento del metallo con migliore riempimento della forma. Quasi tutte le leghe di rame sono colabili con questa tecnica ad esclusione dei bronzi ad alto contenuto di piombo poiché tale elemento tende ad accumularsi nella zona periferica dei pezzi comportando modifiche significative nella distribuzione delle inclusioni.

• Colata in conchiglia: questo tipo di colata è in uso da circa 50 anni per le leghe a base rame; attualmente si sfrutta per bronzi di vario genere quali quelli ad alto tenore di Pb, al fosforo e per il gunmetal (lega con Cu 88%, Sn 10%, Zn 2%). In questo processo, la velocità di solidificazione del metallo è aumentata comportando un aumento della fase cristallina di tipo delta (che risulta finemente dispersa nella matrice e conferisce al materiale grande durezza) e una migliore distribuzione del piombo. Il materiale ottenuto con questo processo ha caratteristiche meccaniche generali migliori, in particolare durezza aumentata fino al anche 50%. Gli stampi utilizzati, dotati di grande versatilità di impiego, sono metallici e concettualmente simili a quelli per pressofusione.

 
4.2 – CLASSIFICAZIONE E PROBLEMI DELLE LEGHE DI RAME RELATIVAMENTE AL PROCESSO DI COLATA

Il rame puro è un metallo estremamente difficile da colare poiché ha una forte tendenza, durante il raffreddamento, a creare cricche in superficie e cavità interne dando origine ad un prodotto finale molto poroso. Il processo di colata relativo, può tuttavia essere migliorato con l’addizione di piccole quantità di elementi quali berillio, silicio, nichel, stagno, zinco, argento e fosforo, la cui influenza è riassunta in tabella 1.

Per quanto riguarda le leghe di rame, occorre farne una classificazione relativamente al comportamento in raffreddamento in quanto, a differenza del metallo puro, esse solidificano in un intervallo di temperatura più o meno ampio. In generale l’intervallo di solidificazione si definisce come l’intervallo di temperature compreso tra l’intersezione della composizione tra solidus e liquidus del diagramma di stato equivalente. Definendo come “liquidus” la temperatura alla quale il metallo inizia a solidificare e come “solidus” quella a cui il metallo è completamente solido, osservando i diagrammi di stato si individua agevolmente l’intervallo di solidificazione di ogni lega.
In base a tale comportamento, le leghe di rame possono suddividersi in tre gruppi:

• Leghe gruppo 1: hanno un intervallo di solidificazione “stretto” cioè di circa 50°C, ne sono un tipico esempio le leghe rame-alluminio, rame-zinco (figura 3), rame-manganese, rame-nichel.

• Leghe gruppo 2: hanno un intervallo di solidificazione “intermedio” cioè compreso tra 50° e 110°C , ne sono un esempio le leghe rame-berillio e rame-silicio (figura 4).

• Leghe gruppo 3: hanno un intervallo di solidificazione “largo” in quanto superiore a 110°C e ne fanno parte le leghe rame-stagno (figura 5).

Le leghe del gruppo 1 e 2 sono in genere colate “direzionalmente” grazie a canali di apporto ausiliari atti a migliorare il riempimento dello stampo in zone critiche come variazioni di sezione, angoli o forme particolari. Occorre prestare molta attenzione al possibile passaggio di idrogeno gassoso in soluzione durante la permanenza ad alta temperatura della lega e durante la colata oltre che all’eventuale evaporazione di alliganti eventualmente da reintrodurre nel materiale prima della solidificazione.
Per le leghe del gruppo 3, la fusione deve essere fatta velocemente ed in atmosfera leggermente ossidante. A causa del grande intervallo di solidificazione, il raffreddamento rapido o la creazione di un gradiente termico elevato sono risultati metodi molto più efficaci rispetto all’uso dei soli alimentatore a materozza, pertanto vengono sfruttati in accoppiamento lavorando ad una temperatura di colata più bassa in grado di consentire un riempimento dello stampo omogeneo cioè privo di zone a solidificazione mancante. In questo caso prima di iniziare la colata si esegue il processo di “scorificazione” per aggiunta di disossidante al fosforo (generalmente lega Cu 85%-P15%) da dosare con cura al fine di rimuovere l’ossigeno pur lasciandone una minima quantità necessaria ad aumentare la fluidità del metallo durante il processo. Per evitare le porosità interne o, in caso di lavorazione meccaniche, fenomeni di dispersione superficiale, nella lega finale il tenore di fosforo residuo deve essere compreso tra lo 0.01% e lo 0.02%. Nel caso in cui si lavori con leghe Cu-Zn, quando si controlla la temperatura prima della colata, in aggiunta alla lega rame-fosforo, si deve prevedere un’aggiunta anche di zinco puro necessario a rimpiazzare quello che evapora durante la fusione ed il mantenimento a temperatura (in una fonderia ben funzionante, ogni stampo, dovrebbe prevedere un controllo della temperatura di colata controllata tramite pirometro ad immersione). Un’ulteriore parametro da tenere presente è la temperatura dello stampo in cui colare la lega.

4.3 – FORNI

I forni utilizzati per la colata delle leghe di rame sono in genere di quattro tipi:

• forno ad arco elettrico: in uso dagli inizi del ventesimo secolo, ha avuto rapidi sviluppo e diffusione; attualmente è utilizzato per mantenere a temperatura il fuso e come contenitore porta-stampo. L’energia necessaria alla fusione è fornita da un arco elettrico che si instaura tra elettrodi in grafite all’interno del forno stesso.

• forno a induzione: è il tipo di forno più diffuso al mondo grazie alla facilità di controllo della temperatura di fusione e al fatto di essere poco inquinante. Due sono i tipi fondamentali: il coreless (senza nucleo, adatto per la fusione) e il channel (a canale, usato per il surriscaldamento e il mantenimento a temperatura).

• forno a crogiolo: viene utilizzato per colate di oggetti molto piccoli che richiedono scarse quantità di metallo e per processi di colata discontinua. La fonte di energia utilizzata è in genere la combustione di gas.

• forno a cupola: è costituito da una fornace cilindrica alimentata a carbone fossile, il calore sviluppato può essere incrementato grazie a flussi di gas combustibile. Il metallo viene versato dall’alto e durante la discesa fonde, investito dal flusso di calore risalente dal basso, quindi si raccoglie sul fondo del cilindro. L’uso di questo forno è ormai caduto in disuso, ma è stato il più utilizzato fino alla fine del diciannovesimo secolo.

4.4 – COLATA IN SABBIA

La colata in sabbia è la tecnica più diffusa grazie all’enorme versatilità del processo direttamente legata alla possibilità di produrre pezzi di qualità con una grandissima varietà di forme e/o dimensioni. Si classifica in base al tipo di sabbia utilizzato:

• Colata in sabbie a legante organico;
• Colata in sabbie a legante inorganico;
• Colata in sabbie non legate.

Per pezzi di dimensioni medio-piccole la colata si realizza con i primi due metodi: il modello del pezzo da realizzare viene completamente ricoperto e la sabbia compattata meccanicamente o chimicamente con i leganti (figura 6). Gli stampi sono in genere “bivalvici”, in modo da poter rimuovere facilmente il modello, che avrà creato la cavità della forma voluta quando si andranno a riassemblare le due parti.

In alcuni casi è utile l’uso di “controspoglie”, ossia nastri sottili che, posti sulle superfici perpendicolari alla linea di divisione dello stampo bivalve ne facilitano l’apertura. Tale accorgimento risulta particolarmente adatto in presenza di pezzi di materiale diverso destinato ad essere rimosso a colata avvenuta detti “anime” atte a creare cavità all’interno dell’oggetto finale. La taglia dello stampo deve essere sempre leggermente superiore a quella del pezzo voluto in modo che non si verifichino problemi durante la contrazione del metallo in raffreddamento, inoltre si deve tenere conto dell’eventualità di inserire canali di immissione del fuso aggiuntivi, alimentatori, attacchi di colata, materozze per rendere più omogeneo il flusso di metallo nello stampo. Le tolleranze sulle misure sono a priori calcolate dal modellista in base a parametri derivanti dalla propria esperienza ed a considerazioni sulla lega da colare. La scelta del tipo di modello e del materiale con cui costruirlo sono funzione di diversi fattori quali, il tipo di colata, il numero di pezzi da produrre, la tolleranza desiderata ed il costo. I materiali di costruzione dei modelli comunemente utilizzati sono il legno, il metallo od i polimeri plastici. Il legno è sicuramente il più economico e facile da modellare, ma possiede scarse caratteristiche meccaniche, per contro il metallo è più costoso ma duraturo proprio grazie alle caratteristiche meccaniche nettamente migliori; i polimeri plastici sono di più recente sviluppo e rappresentano un ottimo compromesso tra costo e qualità (figura 7).

Al fine di ottimizzare la progettazione dello stampo, si rivelano molto utili software di simulazione di colata in grado di riprodurre le condizioni di lavoro permettendone una valutazione più approfondita.
Nella preparazione dello stampo occorre prestare molta attenzione all’uniformità della sabbia ed alla distribuzione del legante se presente: se in alcuni punti il materiale è troppo secco, troppo umido o esiste un eccesso o difetto di legante, la finitura superficiale risulta peggiorata.