Cos'è il processo di casting
- Definizione del processo
La fusione è un processo di produzione in cui il materiale liquido viene versato in uno stampo che contiene una cavità cava della forma desiderata, lasciato solidificare e quindi la parte finita viene rimossa. Il materiale solidificato, spesso metallico, assume la forma della cavità dello stampo. La fusione viene comunemente utilizzata per le parti metalliche versando il metallo fuso in uno stampo e lasciandolo raffreddare e solidificare. Questo processo consente la produzione economica di componenti metallici complessi e ad alte prestazioni con precisione, versatilità e proprietà dei materiali che spesso non possono essere ottenute con altri metodi di fabbricazione. In quanto tale, la fusione è un processo incredibilmente importante nella produzione industriale.
- Principi del processo
I principi della fusione sono incentrati sulla necessità di contenere il materiale fuso caldo all'interno di uno stampo mentre si trasforma dallo stato liquido a quello solido. Il primo passo è creare lo stampo con una cavità, anime e un sistema di colata utilizzando materiali altamente resistenti al calore, solitamente sabbia da stampaggio, metallo o resina epossidica. Lo stampo è progettato per riempirsi rapidamente di metallo e quindi trasferire il calore in modo che il metallo si solidifichi da liquido a solido con la corretta struttura dei grani.
Successivamente, il metallo scelto viene fuso ad alte temperature in una fornace per raggiungere lo stato fuso. I metalli fusi comuni sono le leghe di ferro, alluminio, acciaio e magnesio. Il metallo liquido viene versato o iniettato nella cavità dello stampo e lasciato raffreddare e solidificare nella forma. Lo stampo sopporta le forze elevate e il calore durante la solidificazione poiché il metallo si restringe leggermente. Dopo che il metallo e lo stampo raggiungono la temperatura ambiente, la fusione finale viene separata dallo stampo. Potrebbero essere necessarie operazioni di finitura secondarie per pulire e ispezionare la fusione.
- Attrezzature e strumenti
La fusione richiede attrezzature e strumenti appositamente progettati per gestire il metallo caldo e resistere alle forze di stampaggio:
- I forni riscaldano i metalli fino al punto di fusione utilizzando combustibile, resistenza elettrica o induzione. Un recipiente contiene il metallo fuso.
- Gli strumenti di modellatura formano stampi di sabbia da modelli riutilizzabili. I modelli possono essere in legno, metallo o plastica.
- Le muffole di stampo contengono e formano la sabbia di stampaggio attorno alle metà del modello.
- Gli strumenti per il nucleo creano nuclei di sabbia che formano vuoti interni di stampo.
- Le macchine per pressofusione iniettano il metallo in stampi metallici permanenti.
- La fusione a cera persa utilizza modelli in cera incorporati in rivestimenti di impasto ceramico.
- Gli elementi di colata/rialzo alimentano il metallo fuso nella cavità dello stampo.
- Gli strumenti di pulizia come la granigliatura, le smerigliatrici e le frese rimuovono i getti.
- Gli strumenti di ispezione verificano le dimensioni e la qualità dello stampo/colata.
- Campi di applicazione
La fusione produce componenti praticamente in ogni settore manifatturiero grazie alla sua versatilità, efficienza e capacità di creare forme complesse. Alcune delle principali aree di applicazione includono:
- Settore automobilistico: i blocchi motore, le testate dei cilindri, le ruote e le scatole della trasmissione sono un esempio di componenti automobilistici fusi in grandi volumi.
- Settore aerospaziale: pale di turbine, scatole del cambio, componenti di motori a reazione e raccordi per cellule di aerei fusi.
- Difesa: i principali equipaggiamenti militari come artiglieria, armature, bossoli di munizioni, ecc. si basano sul lancio.
- Infrastruttura: chiusini, tubi, valvole, pompe e materiale ferroviario in fusione.
- Agricoltura: getti di componenti del trattore come alloggiamenti e pulegge.
- Beni di consumo: gioielli fusi, strumenti musicali, ferramenta per mobili.
- Medicina: corone dentali, impianti ortopedici e strumenti chirurgici.
La fusione consente di produrre componenti in quasi tutti i settori secondo precisi requisiti ingegneristici da un'ampia gamma di materiali metallici.
- Vantaggi e limiti
- vantaggi:
- Le parti complesse e a forma di rete vengono realizzate facilmente. Non è necessaria alcuna lavorazione.
- Capacità di produzione di massa per volumi elevati a costi inferiori.
- Molte leghe sono difficili da fabbricare altrimenti possono essere colate.
- Controllo della microstruttura più fine rispetto al metallo lavorato.
- Parti complesse e di alta precisione fuse integralmente.
- Consolida parti/caratteristiche in un unico componente.
- limitazioni:
- Elevati costi di avvio per utensili e attrezzature.
- Restrizioni di progettazione per consentire la rimozione dello stampo.
- I limiti di dimensione si basano sulla capacità dell'apparecchiatura.
- Spesso resistenza inferiore rispetto al metallo lavorato.
- Sono necessarie pulizie e ispezioni post-processo.
- Difetti comuni come porosità e inclusioni.
- I parametri di processo
Numerosi parametri interdipendenti influenzano la qualità della fusione, la produttività e l’economia. Questi comprendono:
- Materiale e design dello stampo: influiscono sul flusso del metallo, sul trasferimento di calore e sulla finitura superficiale.
- Composizione della lega: determina le proprietà, il punto di fusione e la fluidità.
- Trattamento della fusione: i degasatori riducono i difetti del gas; gli inoculanti raffinano il grano.
- Temperatura di colata: temperature più elevate migliorano la fluidità ma aumentano il ritiro. È necessario un surriscaldamento adeguato.
- Temperatura dello stampo: il preriscaldamento degli stampi riduce lo shock termico e i difetti.
- Tempo e velocità di riempimento: un riempimento più rapido migliora i getti.
- Velocità di raffreddamento: un raffreddamento più rapido produce grani più fini ma rischia di deformarsi e deformarsi.
- Design del punto di iniezione: deve favorire il riempimento completo dello stampo evitando turbolenze.
- I montanti della cappetta ascendente alimentano il metallo liquido alle fusioni mentre si restringono per evitare vuoti.
Vengono utilizzati test significativi per modellare, prevedere e regolare questi parametri per una qualità ottimale.
- Controllo di qualità
I prodotti fusi presentano molti potenziali difetti, che richiedono un rigoroso controllo di qualità:
- Ispezione visiva delle dimensioni, della finitura superficiale e dei difetti evidenti.
- Il test con liquidi penetranti rivela crepe che rompono la superficie.
- Le scansioni a raggi X e TC rilevano vuoti interni e problemi di porosità.
- I test ad ultrasuoni indicano i difetti del sottosuolo tramite onde sonore.
- I test meccanici forniscono proprietà di durezza, trazione e impatto.
- La metallografia mostra la microstruttura, la dimensione del grano e le fasi.
- L'analisi chimica verifica la corretta composizione della lega.
- I test di tenuta e pressione garantiscono che i getti siano solidi.
Il controllo statistico del processo tiene traccia dei parametri chiave del processo. Le fusioni vengono sottoposte a test distruttivi a campione per correlare i pezzi sottoposti a test non distruttivi alla qualità complessiva.
- Sviluppo e tendenze
La fusione è uno dei processi di lavorazione dei metalli più antichi conosciuti, originario di oltre 6000 anni fa. La fusione del bronzo e del ferro ha fatto avanzare la civiltà attraverso la storia antica fino al Medioevo in strumenti, armi e statue. I moderni processi di fusione furono innovati tra il 1800 e il 1900, consentendo la produzione di massa.
Le tendenze recenti si concentrano su:
- Lo sviluppo di leghe leggere e ad alta resistenza consente alle parti fuse di sostituire le parti lavorate. L’aerospaziale, le automobili e gli impianti guidano questa ricerca.
- La sofisticata simulazione del flusso dello stampo e dell'analisi termica prevede con precisione i risultati della fusione.
- Controllo di qualità rafforzato sui problemi di integrità della fusione come la porosità. Sono stati sviluppati standard come ASTM E505.
- Maggiore utilizzo di linee di stampaggio automatizzate e robot per una produzione più rapida, economica e uniforme.
- Processi di colata continua per una maggiore produzione negli stabilimenti di acciaio, rame e alluminio.
- Sono state adottate tecniche di fusione a cera persa per piccole parti dettagliate come le pale delle turbine. Prototipazione rapida applicata alla fusione.
- Sono state adottate lavorazioni secondarie come il trattamento termico, l'HIPing e la lavorazione meccanica per migliorare la precisione e le proprietà.
- Casi di studio
- Case automobilistiche come Ford e GM utilizzano blocchi motore in lega di alluminio fuso perché i getti offrono geometrie complesse della camicia d'acqua e caratteristiche integrali difficili da lavorare. Anche altri componenti del motore come teste, pistoni e compressori beneficiano della fusione strategica.
- Le leghe di cobalto-cromo fuse consentono la produzione economica di impianti di sostituzione articolare con qualità biocompatibili, elevata resistenza e geometrie articolari stampate direttamente. Questi componenti dell'impianto fuso si integrano con l'osso umano molto meglio delle alternative fabbricate.
- I getti di acciaio formano massicci telai di turbine eoliche, scatole del cambio, generatori, gondole e altre strutture in cui le parti fuse forniscono la necessaria rigidità, smorzamento delle vibrazioni e proprietà di resistenza al carico ineguagliate dalle fabbricazioni.
- La fusione a cera persa di precisione produce pale di turbine in superlega di nichel fuso per motori a reazione con grani equiassici e pale monocristalline con elevata resistenza allo scorrimento viscoso. Questo processo di fusione consente di ottenere le complesse forme del profilo alare e gli schemi di raffreddamento necessari.
- Conclusione
La fusione offre un'immensa flessibilità dei materiali, libertà di progettazione, precisione e opportunità di risparmio sui costi rispetto ad altri metodi di fabbricazione di parti metalliche. Essendo un processo a forma di rete con poca lavorazione richiesta, la fusione consente tassi di produzione elevati e caratteristiche integrali non realizzabili con altri mezzi. Poiché gran parte del mondo dell’ingegneria moderna fa affidamento su componenti in metallo fuso, la fusione rimarrà un processo industriale essenziale insieme ai progressi in termini di materiali, qualità e automazione.