La fonderia è la branca della metallurgia che si occupa dei processi produttivi che permettono di ottenere degli oggetti metallici tramite la fusione e la colata di metalli in apposite forme, ossia degli oggetti cavi che daranno la forma al pezzo. I pezzi ottenuti vengono detti "getti" o "fusioni". La fusione è una delle tecnologie di lavorazione tra le più antiche conosciute: i primi utensili rinvenuti, ottenuti tramite fonderia, risalgono al 4000 a.C.
Viene detto fonderia anche lo stabilimento ove vengono svolte le suddette attività.
È possibile dividere il processo di fonderia in due macrocategorie: colata in forma transitoria: la forma per creare il pezzo viene distrutta al termine del processo. colata in forma permanente: la forma per creare il pezzo viene riutilizzata in un elevato numero di cicli produttivi.
Colata in forma transitoria
La formatura in forma transitoria può avvenire con l'utilizzo di un modello permanente, ed è il caso della fonderia a terra, o di un modello consumabile, ed è il caso della colata a cera persa e del policast.
Fonderia in terra
La lavorazione classica di fonderia è quella della colata in terra, per via del fatto che il metallo fuso viene colato in uno stampo composto da una terra speciale, detta terra da fonderia, che alla fine del processo verrà rotta per poterne estrarre il pezzo.
Le terre usate, perdono le loro qualità per effetto dell'alta temperatura, pertanto è possibile riutilizzarle solamente dopo un opportuno trattamento.
Caratteristiche principali Il processo di fonderia in terra presenta alcune caratteristiche fondamentali, utili nella scelta del tipo di componente che si vuole ottenere.
È uno dei processi dotato di maggiore versatilità e può essere realizzato praticamente con ogni tipo di metallo o lega. La gamma di pezzi ottenibili tramite processi di fonderia può variare molto: da oggetti più piccoli e di geometria decisamente semplice, come lingotti, a prodotti decisamente più ingombranti e di elevata complessità, come motori navali. Va precisato che in caso di oggetti particolarmente complessi e ingombranti, come l'appena citato motore per uso navale, la scelta di realizzazione tramite fonderia è praticamente "obbligata".
Benché sia molto versatile, la fonderia è un processo di natura molto basilare: nella grande maggioranza dei casi il pezzo ottenuto dovrà subire ulteriori lavorazioni con lo scopo di essere rifinito per ottenere le caratteristiche del prodotto desiderate.
Il processo di fonderia infine è sempre molto conveniente per la realizzazione di un numero molto alto di pezzi, mentre nel caso si debba realizzare un numero limitato o medio di pezzi, è opportuno valutare attentamente vantaggi e svantaggi derivanti da tale lavorazione.
Il modello Il modello è un oggetto che rappresenta la sagoma che dovrà assumere il prodotto finale. Può essere fatto con svariati materiali: come legno, metallo, gesso, resine sintetiche: ogni materiale ha pregi e difetti; per esempio il legno offre un'ottima lavorabilità e leggerezza del modello, e come unico svantaggio ha poca resistenza superficiale e all'usura. Per contro, materiali metallici offrono una resistenza meccanica e all'usura decisamente maggiore, ma difettano in lavorabilità; mentre il peso elevato rende problematico un eventuale cambiamento di posizione della forma, che correrà il rischio di rompersi. Queste caratteristiche fanno sì che il legno sia il materiale più comunemente usato per la realizzazione del modello.
Lo scopo del modello è quello di creare nella forma la cavità nella quale si colerà il metallo fuso. Le dimensioni del modello devono tener conto del ritiro del metallo nella fase di solidificazione e del sovrametallo (v. Colata). La forma del modello deve tener conto della necessità di poter estrarre il modello dalla forma senza rovinarla, e quindi le pareti parallele alla direzione di estrazione del modello dovranno essere leggermente inclinate formando un invito detto sformo o scampanatura; si dovranno evitare inoltre i sottosquadri o prevedere una adeguata scomponibilità del modello; si dovranno infine prevedere le portate d'anima, cioè il calco dei supporti ove poggeranno le anime per creazione dei vuoti nella fusione. Per evitare tensioni interne, si dovranno evitare bruschi cambiamenti di spessore o di direzione, prevedendo opportuni raccordi tra le parti.
Le anime Le anime sono degli oggetti che servono per ottenere dei fori nella fusione, cioè delle parti che non devono venir riempite dal metallo liquido. Tali cavità sono realizzabili facilmente nel caso di un rapporto tra diametro e lunghezza del foro non eccessivamente basso, pena la rottura dell'anima durante la colatala regola generale è che non è possibile realizzare fori troppo lunghi o stretti. Nel caso tale rapporto fosse molto basso è opportuno eseguire il foro tramite altre lavorazioni come l'asportazione di truciolo.
Le anime sono formate da terre o sabbie mescolate con agglomerati, formate con uno stampo in negativo detto cassa d'anima. La formatura dell'anima può essere a caldo con mescola di sabbia di varie granulometrie, resina legante e catalizzatore, miscelate sul posto per molazzatura (hot box) con sabbie pre rivestite (Shell-Molding) oppure a freddo (Isocure, Isoset). Ovviamente la scelta della formatura è in base a costi differenti e a diverse caratteristiche meccaniche e di finitura superficiale che si vogliono ottenere dalla stessa anima sui getti finali. Come la forma, l'anima dovrà presentare determinate caratteristiche meccaniche in modo da facilitarne l'estrazione, impedire eventuali difetti nel pezzo ed eventuali cedimenti dell'anima stessa.
La formatura
La formatura, nei processi di fonderia, è l'attività di approntamento della forma, cioè del contenitore entro cui verrà colato il metallo. Può essere fatta in fossa (o allo scoperto), se la forma viene approntata nel pavimento in sabbia della fonderia per grosse fusioni grossolane, in motta o in staffa. In quest'ultimo caso la forma è costituita da due staffe, cioè due telai di metallo, aperti sopra e sotto, entro i quali viene versata e costipata della terra da fonderia attorno al modello. Questo tipo di terra è composta da sabbia mista a leganti e additivi vari; e dovrà presentare varie caratteristiche. In primo luogo vi deve essere un buon compromesso tra sgretolabilità e resistenza della forma, infatti la forma deve resistere alla pressione della colata, tuttavia non deve presentare troppe difficoltà nella rimozione, che solitamente avviene per rompimento della forma. Dovrà inoltre essere un materiale refrattario e permeabile ai gas, per permetterne la fuoriuscita ed evitare che questi creino porosità interne nei futuri prodotti. Inoltre la presenza di una sabbia più o meno fine si riflette sulla finitura superficiale del pezzo che si otterrà. Il processo di formatura inizia con l'approntamento della prima la staffa inferiore, nella quale sarà contenuta la prima metà del modello. Si rovescia quindi la staffa, si cosparge la superficie della terra di una polvere atta a non far aderire la terra della seconda staffa, si posiziona la seconda metà del modello, si posiziona e fissa la seconda staffa sopra la prima e si appronta quindi la seconda parte della forma, comprensiva di canale di colata, montante e sfoghi d'aria. Si aprono quindi le staffe, si estrae il modello, si eseguono eventuali riparazioni della forma, si posizionano le anime e si ricollegano le due staffe tramite le opportune orecchie e spine. A seconda della terra usata e dal grado di finitura richiesto, la colata può avvenire direttamente nella forma così preparata, che viene detta formata a verde oppure può venir essiccata in apposite stufe, e viene detta in questo caso formata a secco.
La fusione La fusione del metallo va fatta in opportuni forni fusori, diversi a seconda del materiale da fondere. Per la ghisa, ad esempio, il forno classico è il cubilotto. Recentemente vengono impiegati anche forni rotativi alimentati a ossigeno e metano. I principali tipi di forni fusori sono: Forno ad arco elettrico: è uno dei più diffusi grazie alle alte temperature ottenibili, al facile controllo delle temperature e al costo minore rispetto ad altri tipi di forno. Forno a induzione: utilizzato soprattutto nelle piccole fonderie, dove non sono necessarie colate di grande dimensione. Forno a cupola: comporta investimenti alti nell'acquisto, che sono poi compensati dall'elevata produttività. Forno a levitazione: una bobina ad induzione riscalda il materiale e fa sì che questo sia sospeso all'interno del forno; eliminando la formazione di gas nella colata
La colata Si spilla il metallo fuso dal forno, raccogliendolo in una siviera, lo si trasporta sino al luogo di colata e tramite forza di gravità, lo si cola nella forma attraverso il canale di colata. Durante il periodo di raffreddamento, nel materiale si verificano fenomeni di ritiro, dovuti all'abbassarsi della temperatura: durante il passaggio di stato tra solido e liquido il ritiro del metallo fuso è antisotropo, mentre, raggiunto lo stato solido, il ritiro può essere considerato isotropo. Per questo motivo la forma è sovradimensionata rispetto al pezzo che si vuole ottenere: ad esempio se il metallo durante tutto il raffreddamento ha un ritiro dell'1%, e si vuole ottenere un pezzo lungo 1 metro, la lunghezza della forma sarà di 1,01 metri. Per ovviare alla precisione grossolana del processo, si sovradimensiona ulteriormente il sistema, in modo che lo spessore sia leggermente maggiore di quello desiderato a valle del ritiro termico: tale spessore aggiuntivo è chiamato sovrametallo, e sarà prelevato in un altro tipo di lavorazione per rispettare tolleranze più restrittive. Il sovrametallo dovrà raggiungere un compromesso tra l'avere abbastanza materiale da prelevare e non avere troppo materiale di scarto, che inoltre porta a lavorazioni successive più lunghe e quindi costose ed all’aumento del materiale di scarto (tornitura).
Per far fronte a fenomeni di ritiro del materiale in transizione di fase, vengono posizionate sul canale di colata delle materozze, che possono essere definite come della aggiunte di materiale per ovviare a tale ritiro, che può creare difetti di forma nel pezzo, chiamati coni o cavità di ritiro. Alla fine del processo le materozze e gli altri ausili di colata, detti montanti di caricamento, vengono rimosse tramite altre lavorazioni.
L'estrazione del getto dalla forma Una volta solidificato e raffreddato, si estrae il getto dalla forma con l'operazione detta distaffatura. Nell'eseguire questa operazione la forma di terra viene distrutta, e per questo la formatura in terra viene detta a perdere o transitoria, in contrapposizione alla colata in stampi metallici, detti conchiglie o forme permanenti, che vengono riutilizzati.
Analogamente per eliminare “l’anima”, ovvero la forma in sabbia che genera la sezione cava nei getti permanenti, si procede poi alla sterratura tramite macchine granigliatrici, tali macchine, a mezzo sfere metalliche che urtano i getti, sgretolano le anime in sabbia consentendone la separazione del getto grezzo.
Il pezzo estratto viene ripulito della terra di fonderia con l'operazione di sterratura, si toglie quindi la materozza, il canale di colata ed i montanti, si eliminano le bave che si sono formate lungo il piano di contatto delle due semiforme, si tolgono eventuali imperfezioni superficiali ed incrostazioni e quindi il getto può essere avviato alle eventuali successive lavorazioni, trattamenti e controlli.
Principali problemi e difetti della fonderia in terra È importante, nella fase di progetto, eseguire alcune accortezze al fine di evitare problemi che potrebbero intaccare l'integrità e la funzionalità del pezzo colato, facendolo diventare uno scarto: