Il flusso di calore nella fusione dei metalli si riferisce al trasferimento di energia termica dal metallo fuso al materiale dello stampo. Questo processo controlla la velocità di solidificazione, influenza la qualità della fusione e la struttura dei grani. Un flusso di calore efficiente garantisce un raffreddamento uniforme, riduce difetti come il ritiro e migliora le proprietà meccaniche del getto finale.
Il flusso di calore nella fusione dei metalli è il trasferimento di energia termica dal metallo liquido caldo all'ambiente più freddo durante il processo di fusione. Questo trasferimento di calore avviene principalmente in tre modi: per contatto diretto (conduzione), per movimento del fluido (convezione) e per onde elettromagnetiche (irradiazione).
Quando si versa il metallo fuso in uno stampo, la temperatura iniziale varia tra 1,200 °C e 3,000 °C, a seconda del tipo di metallo. Il metallo deve raffreddarsi e solidificarsi per formare il pezzo finale.
Durante la solidificazione, il calore abbandona il metallo fuso attraverso tre metodi principali.
Nella maggior parte dei processi di fusione dei metalli, il 90% del calore viene trasferito per conduzione. Ciò avviene quando il calore si trasmette attraverso il contatto diretto tra il metallo e la parete dello stampo.
La formula per il flusso di calore conduttivo è:
Q = k × A × (T₁ - T₂) / d
Dove:
Gli stampi in sabbia hanno una bassa conduttività termica (k = 0.5-1.5 W/m·K). Gli stampi in metallo hanno una conduttività molto più elevata (k = 50-400 W/m·K).
Ecco perché i getti si raffreddano 10 volte più velocemente negli stampi di metallo che negli stampi di sabbia.
La convezione avviene quando i fluidi in movimento trasportano calore. Nella fusione, questo avviene in due punti.
All'interno del metallo liquido, il metallo caldo sale mentre quello più freddo scende. Questo crea correnti che aiutano a distribuire il calore in modo più uniforme.
All'esterno dello stampo, l'aria che scorre lungo la superficie dello stampo trasporta calore. La formula della convezione è:
Q = h × A × (T_surface - T_air)
Dove h è il coefficiente di convezione (tipicamente 10-100 W/m²·K per il raffreddamento ad aria).
L'irradiazione trasferisce il calore attraverso onde elettromagnetiche. Le superfici calde dello stampo irradiano calore verso l'ambiente più freddo senza bisogno di alcun contatto.
La formula della radiazione è:
Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)
Dove:
Le radiazioni diventano più importanti a temperature più elevate. A 1,800 °F, le radiazioni possono rappresentare il 20% della perdita totale di calore.
Quando il metallo passa dallo stato liquido a quello solido, rilascia calore latente di fusione. Questo rilascio di energia rallenta il processo di raffreddamento al punto di congelamento.
Il calore totale da rimuovere è pari a:
Q_total = m × [c_liquid × (T_pour - T_solidification) + L + c_solid × (T_solidification - T_final)]
Questo calore latente crea un plateau nella curva di raffreddamento. Il metallo rimane alla sua temperatura di congelamento finché tutto il calore latente non viene rimosso.
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Il modo in cui il calore fluisce attraverso il pezzo fuso determina se si ottiene un pezzo buono o difettoso. Esaminiamo i principali problemi causati da un flusso di calore inadeguato.
Il metallo si restringe di circa il 3-7% quando si solidifica. Se il metallo liquido fresco non riesce a fluire per riempire questo spazio, si ottiene porosità da ritiro.
Le lacrime calde si formano quando il metallo in fase di solidificazione non può contrarsi liberamente a causa della costrizione dello stampo. Appaiono come frastagliate crepe sulla superficie di colata.
Queste cricche si verificano all'85-95% della frazione solida, quando il metallo non ha più resistenza. Differenze di temperatura di 50 °C in una sezione possono causare lacerazioni a caldo.
Gli errori di colata si verificano quando il metallo si solidifica prima di riempire l'intera cavità dello stampo. Il metallo perde troppo calore e smette di scorrere.
Le chiusure a freddo si verificano quando due flussi metallici si incontrano ma non si fondono correttamente. Le superfici si sono raffreddate troppo per saldarsi.
Entrambi i difetti sono dovuti a un'eccessiva perdita di calore durante la colata.
Porosità gassosa crea bolle rotonde nella fusione. Sebbene non siano causate direttamente dal flusso di calore, le variazioni di temperatura influenzano la solubilità dei gas nel metallo.
Il metallo liquido può contenere più gas disciolto rispetto al metallo solido. Quando il metallo si raffredda e si solidifica, il gas in eccesso forma bolle.
