Il processo di fusione dei metalli: tipi e tecniche spiegati

Introduzione

Il processo di fusione dei metalli è uno dei pilastri della produzione moderna e consiste nel versare il metallo fuso in uno stampo per ottenere la forma desiderata. Questo metodo è indispensabile per la realizzazione di componenti metallici potenti e sofisticati, tra cui parti di macchinari edili e apparecchiature mediche di precisione. Tuttavia, la scelta di una particolare tecnica di fusione ha conseguenze di vasta portata sul costo finale del pezzo, sulla finitura superficiale e sulla precisione dimensionale. Questa guida vi fornirà una descrizione dettagliata delle varie forme di fusione dei metalli, delle loro fasi principali e vi aiuterà a scegliere il metodo più adatto al vostro progetto.

Quali sono le 5 fasi del processo di fusione dei metalli?

Indipendentemente dalla tecnica specifica utilizzata, quasi tutti i processi di fusione dei metalli prevedono cinque fasi fondamentali. La fase iniziale è solitamente la più importante, poiché determina la geometria e la qualità finali del pezzo.

Realizzazione di stampi (o modellistica)

Il primo è la produzione dello stampo, ovvero l’attrezzatura che definisce la forma cava del prodotto finale desiderato. Questo stampo può essere monouso e non permanente, come uno stampo in sabbia (stampaggio in sabbia), oppure permanente e riutilizzabile (o matrice metallica), ricavato dall’acciaio (pressofusione). Nel caso degli stampi monouso, la cavità viene realizzata utilizzando un modello (una replica del pezzo). Se l’ultimo pezzo richiede cavità interne (come nel caso di un blocco motore), viene creato un’anima separata che viene inserita nella cavità dello stampo.

Fusione e lega

Allo stesso tempo, il metallo selezionato (come la ghisa o i metalli ferrosi) o la lega (come l’acciaio inossidabile) viene riscaldato in un forno (come un forno a induzione o ad arco elettrico) fino a raggiungere una determinata temperatura di colata, che lo trasforma in metallo liquido o materiale fuso. Si tratta di una fase molto importante nella metallurgia. Per ottenere le proprietà meccaniche e fisiche richieste (come l’elevata resistenza o la resistenza alla corrosione) nel prodotto finale, è necessario controllare attentamente la composizione chimica e la temperatura.

Colata (o fusione)

Il metallo fuso viene prelevato dal forno, solitamente in una siviera, e versato nella cavità dello stampo. Il processo di colata rappresenta una delle principali differenze tra le tecniche di fusione dei metalli. Può trattarsi semplicemente di lasciare che la gravità riempia lo stampo (nella fusione in sabbia e nella fusione in stampo permanente), oppure può avvenire sotto alta pressione (nel processo di pressofusione) o per forza centrifuga (nella fusione centrifuga).

Solidificazione e raffreddamento

Il metallo liquido inizia a raffreddarsi e a solidificarsi assumendo la forma della cavità dello stampo. Non si tratta di un processo passivo; la velocità di raffreddamento deve essere controllata. Man mano che i metalli si raffreddano, si restringono. Questo fenomeno deve essere tenuto in considerazione nella progettazione dello stampo (ad esempio, con canali di alimentazione che forniscono materiale fuso aggiuntivo) per evitare la formazione di vuoti o porosità, che sono difetti tipici della fusione.

Finitura e controllo qualità

Il pezzo fuso viene rimosso dallo stampo una volta che si è completamente solidificato. Nei processi con stampi monouso, ciò avviene rompendo lo stampo (ad esempio, scuotendo via la sabbia). Nei processi con stampo riutilizzabile, il pezzo viene espulso. Il pezzo non è ancora finito. Deve essere sottoposto a lavorazione per eliminare il metallo in eccesso: i punti di colata, i canali di colata, i montanti (il “sistema di alimentazione” che ha convogliato il metallo) o le sbavature (il metallo fuoriuscito tra le due metà dello stampo). Di solito viene sabbiato, levigato, lavorato a macchina con tolleranze strette o sottoposto a trattamento termico per migliorare l’elevata resistenza e le proprietà finali del pezzo.

Fusione in stampo a consumo vs. fusione in stampo permanente: le due categorie principali

Le migliaia di varianti di fusione si suddividono in due categorie principali, definite dal tipo di stampo utilizzato.

Stampi monouso

Si tratta di stampi temporanei che vengono distrutti per recuperare il pezzo fuso. Ogni fusione richiede la realizzazione di un nuovo stampo. La fusione in sabbia, la fusione a cera persa, la fusione in gesso e la fusione in guscio rientrano tutte in questa categoria. Poiché lo stampo viene rimosso, questo è il metodo migliore per realizzare pezzi dalle forme complesse e parti articolate, compresi quelli con cavità interne.

Stampi permanenti (stampi riutilizzabili)

Si tratta di stampi, solitamente realizzati in acciaio, destinati a essere riutilizzati migliaia di volte. Tra questi spiccano la fusione in stampo permanente (a gravità) e il processo di pressofusione. Si tratta di metodi molto convenienti nella produzione di massa, ma la natura rigida e non distruttiva dello stampo limita la complessità geometrica dei pezzi che è possibile realizzare.

Confronto tra le 3 principali tecniche di fusione

Sebbene sia possibile fondere innumerevoli tipi diversi di metallo, la maggior parte della produzione industriale si avvale di tre tecniche principali.

Fusione in sabbia: per pezzi di grandi dimensioni e bassi costi di attrezzaggio

Il metodo di fusione dei metalli più diffuso è la fusione in sabbia. Si esegue versando una miscela di sabbia (di solito sabbia verde, ovvero una miscela di sabbia, argilla e acqua) in un modello. Il modello viene poi rimosso, lasciando un vuoto.

Questo è il fondamento dell'industria pesante. Con questo processo vengono realizzati componenti di grandi dimensioni, tra cui blocchi motore, alloggiamenti per pompe industriali e parti di macchinari edili. Funziona molto bene con i metalli ferrosi come la ghisa e l’acciaio. Il suo principale punto di forza è che presenta costi di attrezzaggio molto bassi ed è altamente scalabile in termini di dimensioni. Il compromesso è tuttavia elevato: la fusione in sabbia offre una finitura superficiale ruvida e la precisione dimensionale più bassa tra i principali tipi di fusione, e può richiedere una notevole lavorazione successiva.

I provini: Per l'alta velocità e la produzione in serie

La pressofusione è un processo di fusione in stampo permanente. Consiste nell'iniezione di metallo fuso in uno stampo in acciaio temprato (uno stampo metallico) a pressione molto elevata. Questo metodo di pressofusione è veloce ed efficiente e consente di produrre migliaia di pezzi con un unico stampo.

Si tratta del processo di scelta per la produzione in serie di prodotti metallici che richiedono una buona finitura superficiale e dimensioni uniformi. Viene applicato principalmente a metalli non ferrosi a basso punto di fusione, quali alluminio, zinco e magnesio. I principali limiti sono il costo molto elevato dello stampo e l'impossibilità di utilizzarlo con metalli ferrosi come l'acciaio, che presentano un punto di fusione elevato tale da poter danneggiare lo stampo.

Fusione a cera persa: per forme complesse e alta Precisione

La fusione a cera persa è uno dei metodi moderni più precisi attualmente disponibili. È apprezzata per la sua capacità di produrre componenti con un livello di dettaglio estremamente elevato e forme complesse.

Passo	Descrizione del processo	Punto chiave
1. Stampaggio a iniezione con modello in cera	Si utilizza uno stampo a iniezione di precisione per realizzare una replica in cera del pezzo finale, nota come modello in cera.	Si tratta di una replica esatta del pezzo.
2. Assemblaggio del modello (albero)	Diversi modelli in cera vengono fissati manualmente (saldati) a un sistema centrale di canali in cera, formando una struttura ad “albero”.	Ciò aumenta l'efficienza per ogni singola colata.
3. Edificio con involucro in ceramica	L'intero albero di cera viene immerso ripetutamente in una pasta ceramica, quindi ricoperto di sabbia. Ogni strato viene fatto asciugare e indurire, fino a formare un robusto guscio ceramico.	Questo involucro, realizzato attorno al modello in cera, diventa lo stampo vero e proprio.
4. Rimozione della cera (metodo a cera persa)	L'intero guscio in ceramica viene posto in un'autoclave (una caldaia a vapore ad alta pressione) e riscaldato. I modelli in cera si sciolgono e defluiscono, lasciando una cavità vuota.	È da qui che deriva il nome “cera persa”.
5. Colata dei metalli	Il guscio in ceramica viene cotto ad alta temperatura per eliminare ogni traccia di umidità residua e aumentarne la resistenza. Il metallo fuso viene quindi versato in questa cavità preriscaldata.	Il preriscaldamento del guscio aiuta il metallo liquido a riempire tutte le forme complesse.
6. Rimozione del guscio	Una volta che il metallo fuso si è completamente solidificato e raffreddato, il guscio ceramico esterno viene rimosso mediante vibrazione o getto d’acqua.	Lo stampo monouso viene distrutto per rivelare le parti metalliche al suo interno.
7. Rifilatura e finitura	I componenti metallici vengono tagliati dal “albero” e sottoposti a operazioni di finitura quali levigatura e sabbiatura per rimuovere i segni dei canali di colata, ottenendo così il pezzo finale.	In questo modo si ottiene un componente di precisione “near-net-shape”.

Questo metodo consente di realizzare pezzi complessi con sottosquadri e passaggi interni impossibili da ottenere con altri metodi di fusione.

Perché la fusione con sol di silice si distingue per Precisione

Sebbene il termine “fusione a cera persa” sia sinonimo di precisione, esiste una differenza importante nella tecnica: il tipo di legante ceramico. Si tratta del silicato di sodio (vetro solubile) e del sol di silice.

Il legante migliore e più avanzato è il sol di silice, ed è proprio questo l'elemento chiave per ottenere la massima precisione.

La sospensione di sol di silice offre una stabilità chimica e termica superiore. Ciò consente di ottenere uno stampo più resistente e meno reattivo a contatto con il metallo fuso, in particolare con leghe ad alta temperatura come l’acciaio inossidabile e altri getti in acciaio.

I vantaggi per il prodotto finale sono diretti e significativi:

• Eccellente finitura superficiale: La colata con sol di silice viene utilizzata per ottenere una finitura superficiale molto fine, che riduce la necessità di una lucidatura secondaria.
• Eccellente precisione dimensionale: Garantisce tolleranze più ridotte e un’uniformità dei componenti che non hanno eguali nella fusione con vetro solubile o nella fusione in sabbia.
• Integrità del materiale: Si tratta del processo ideale per le leghe che richiedono un’elevata resistenza e ottime proprietà meccaniche, poiché lo stampo non reattivo elimina la contaminazione e garantisce la purezza delle proprietà fisiche.
• Riduzione dei difetti di fusione: La stabilità del guscio riduce al minimo il rischio di inclusioni, crepe e difetti superficiali.

Da Bessercast (https://www.bessercast.com/), siamo specializzati esclusivamente in questo avanzato processo di fusione a cera persa con sol di silice. Questa specializzazione ci consente di produrre componenti dalla geometria complessa e parti complesse per i settori più esigenti, tra cui dispositivi medici, componenti aerospaziali e beni durevoli ad alte prestazioni. Nelle applicazioni in cui la precisione è fondamentale, ad esempio nei ricambi per auto d’epoca che richiedono forma e funzionalità perfette, la tecnica del sol di silice offre un valore ineguagliabile: un componente fuso con forma quasi definitiva, che consente di risparmiare in modo significativo sui costi di post-lavorazione e lavorazione meccanica.

Come scegliere il processo di fusione più adatto al proprio progetto

La scelta tra queste tipologie principali dipende interamente dai vincoli del vostro progetto: complessità dei componenti, volume, materiale e obiettivi di costo.

Ecco un modello semplificato per la selezione:

Caratteristica	Fusione in sabbia	I provini	Fusione a cera persa (sol di silice)
Precisione dimensionale	Basso	Alto	Molto alto
Finitura superficiale	Da scarso a discreto	Da buono a eccellente	Da eccellente a buono
Complessità delle parti	Da basso a medio	Da basso a medio	Molto elevato (forme complesse)
Costi di attrezzaggio	Molto basso	Molto alto	Da medio ad alto
Costo unitario	Basso	Molto basso (a volume elevato)	Medio
Materiali tipici	Ghisa, acciaio, alluminio	Alluminio, zinco, magnesio	Acciaio inossidabile, fusioni in acciaio, bronzo

Sebbene queste siano le tre tecniche più diffuse, ne esistono altre più specializzate, tra cui la fusione centrifuga (in cui si utilizza la forza centrifuga per realizzare pezzi cilindrici come i tubi), la fusione in conchiglia (in cui si utilizza una conchiglia di sabbia legata con resina per ottenere una finitura migliore rispetto alla sabbia verde), la fusione sotto vuoto (per fusioni di elevata purezza) e la fusione continua (per la produzione di semilavorati semplici come barre e tubi).

Principi fondamentali di progettazione dei pezzi fusi (DFM)

Per ottimizzare qualsiasi processo di fusione, i componenti devono essere progettati in modo da essere facilmente realizzabili (DFM).

• Spessore uniforme della parete: Ciò garantisce l'uniformità dello spessore della parete, assicurando così che non vi siano differenze nel raffreddamento e, di conseguenza, nessun ritiro né difetti di colata.
• Angoli di tiro: Nella fusione in stampo permanente e nella fusione in sabbia, le superfici verticali devono essere leggermente inclinate (con un angolo di sformo) per consentire l'estrazione del pezzo dallo stampo. Uno dei vantaggi della fusione a cera persa è che non richiede alcun angolo di sformo, consentendo così la realizzazione di pareti effettivamente verticali e forme complesse.
• Filetti: Arrotondare gli angoli interni (radius) di un pezzo riduce la concentrazione delle sollecitazioni e migliora il flusso del materiale fuso, garantendo così un pezzo con elevata resistenza.
• Tolleranza di lavorazione: Se una superficie richiede tolleranze estremamente strette, nella progettazione del pezzo fuso occorre prevedere del materiale in eccesso che verrà asportato durante la lavorazione di finitura.

Conclusione: scegliere il processo e il partner giusti

Il processo di fusione dei metalli è uno strumento di produzione efficace e flessibile, ma la qualità del prodotto finale dipende in larga misura dalle competenze del fornitore. Non esiste una tecnica di fusione “migliore” né una “peggiore”; tutto dipende semplicemente dal progetto specifico.

Nella scelta di una fonderia, non limitatevi a scegliere quella che offre il preventivo più basso. Un fornitore di componenti in ghisa di grandi dimensioni per blocchi motore potrebbe non essere il più adatto alla produzione di componenti piccoli e complessi in acciaio inossidabile, che potrebbero richiedere attrezzature e controlli di processo diversi.

Cercate un partner che abbia una comprovata esperienza nel vostro specifico materiale e nelle vostre esigenze in termini di complessità. Informatevi sul loro controllo di processo, sulla garanzia di qualità e sull’esperienza con componenti simili ai vostri. Quando i vostri prodotti metallici richiedono un elevato livello di precisione dimensionale e una finitura superficiale di qualità superiore, ottenibile al meglio attraverso processi quali la fusione a cera persa con sol di silice, è molto vantaggioso avvalersi dei servizi di uno specialista.

Per contattare il team di ingegneri di Bessercast (https://www.bessercast.com) per progettare il vostro prossimo progetto, specializzandosi nella produzione di componenti complessi sotto forma di fusioni in acciaio di alta qualità e parti metalliche destinate ad applicazioni esigenti in cui precisione e integrità sono fondamentali.