Quasi senza eccezioni, c'è un tema comune quando si parla di problemi percepiti nell'uso delle microfusioni in metallo: la preoccupazione che le fusioni possano contenere qualche forma di porosità che potrebbe rendere il componente inadatto all'applicazione prevista.
Sebbene i progressi tecnologici, come le simulazioni computerizzate della solidificazione delle fusioni, abbiano fornito strumenti per ridurre al minimo la porosità dei getti, una certa porosità può ancora esistere anche nelle fusioni progettate con la massima cura, siano esse microfusioni che fusioni in sabbia o pressofusioni.
È ampiamente accettato che, a seconda della posizione della porosità nel getto, determinati livelli di porosità siano in realtà standard in molte applicazioni commerciali, mentre in altre applicazioni, dove la resistenza finale del getto è fondamentale, è necessario ottenere una porosità pari a zero.
Cos’è la Porosità nelle Fusioni?
La porosità viene spesso utilizzata per descrivere qualsiasi vuoto, foro o discontinuità presente in una fusione. Tuttavia, la morfologia dei pori, in termini di dimensione, forma, costituenti superficiali, posizione e frequenza, è essenziale per definire il difetto specifico, determinarne la causa e analizzare in che misura esso influenzerà negativamente le proprietà o la funzionalità del getto.
In questo articolo verranno discusse le tipologie comuni di porosità nelle fusioni, come individuarle, come minimizzarle e come gestirle quando sono richiesti getti a zero porosità.
Criteri di Accettazione della Porosità nelle Fusioni
È comune che molte fonderie producano fusioni con porosità. Tuttavia, non è mai accettabile semplicemente accettare che la porosità sia permanentemente presente, poiché la metodologia corretta della fonderia è SEMPRE quella di applicare le tecniche adeguate per ridurla o eliminarla. Certamente, non dobbiamo mai accontentarci di un'integrità del prodotto inferiore all'ottimale; tuttavia, il punto più importante da sottolineare è che la presenza di una certa quantità di porosità non significa necessariamente che il prodotto colato non sia accettabile per l'applicazione prevista. In effetti, spesso è il design stesso della fusione a essere un fattore determinante nella formazione della porosità e, altrettanto spesso, questa non avrà praticamente alcun impatto sulla funzionalità del prodotto.
Naturalmente ci sono anche molte situazioni in cui qualsiasi porosità in una fusione non può essere tollerata, pertanto deve essere rilevata e rimossa, con una fusione certificata come 100% priva di difetti in termini di integrità.
Cause della Porosità nelle Fusioni
Il metallo fuso presenta generalmente vuoti a causa della porosità da ritiro, porosità da bolle di gas (o pressione di ritorno, come talvolta viene chiamata) o inclusioni di corpi estranei come scorie non metalliche, polvere o frammenti di refrattario. Ognuna di queste cause è discussa in dettaglio di seguito.
Ritiro
Poiché il metallo liquido (fuso) ha un volume maggiore rispetto allo stesso peso di metallo in forma solida, e poiché il processo di fusione prevede il riempimento di uno stampo con questo metallo fuso, è necessario prevedere una compensazione affinché il metallo venga alimentato nel getto mentre si solidifica e si ritira. Ciò avviene mediante l'inserimento di attacchi di colata intorno alla fusione, generalmente nelle sezioni più spesse del getto, poiché queste saranno le ultime a solidificarsi; quindi, l'alimentazione del metallo fuso verso le sezioni più sottili avviene per prima.
Con i miglioramenti nelle simulazioni computerizzate, la fonderia è in grado di ridurre al minimo la maggior parte dei casi di ritiro lavorando con il cliente sul design migliore per il componente, consentendo così di applicare il miglior flusso di alimentazione del getto.
Anche in questo caso, però, ci sono situazioni in cui una fusione presenta così tante sezioni spesse adiacenti tra loro che è impossibile posizionare gli attacchi di colata in ogni sezione pesante.
Molte volte ci saranno piccole sacche di ritiro in una fusione che non possono essere eliminate e, pertanto, esistono vari livelli di criteri di accettazione, a seconda delle esigenze specifiche della fusione.
Le discontinuità da ritiro grossolano in una fusione sono quasi sempre considerate dannose, tuttavia, i difetti evidenti dovrebbero essere minimizzati e, nella maggior parte dei casi, eliminati tramite modifiche al design, combinato con le posizioni più efficaci per l'alimentazione del flusso suso (o l'ingresso del metallo).
Bolle di Gas
Alcune leghe prodotte da NIC hanno la capacità di dissolvere grandi volumi di gas come azoto, ossigeno o idrogeno quando sono nello stato fuso. Queste leghe, però, non trattengono spesso questi gas nel loro stato solido. Di conseguenza, durante il processo di fusione, questi gas escono dalla soluzione e formano piccole bolle o sacche di bolle mentre il getto si solidifica, intrappolandole nella matrice.
Questi vuoti appaiono generalmente come piccoli fori rotondi e si trovano quasi sempre nella sezione più pesante o spessa della fusione. Questa condizione è controllata tramite l'uso di agenti di degasaggio aggiunti al metallo. Questi reagiscono con i gas disciolti formando scorie solide che possono essere eliminate o filtrate dal metallo fuso prima della colata.
Questa tecnica è efficace, tuttavia non sempre garantisce una fusione al 100% priva di bolle, poiché il metallo fuso continua a reagire con l'atmosfera anche dopo il degasaggio. Pertanto, la maggior parte delle specifiche consente una certa quantità di questa tipologia di vuoto nel getto.
Inclusioni
Le inclusioni sono generalmente il difetto di fusione più facile da comprendere. Si tratta semplicemente di piccoli frammenti di materiale non metallico che entrano nel getto. Questi possono essere piccole particelle di refrattario provenienti dal forno o dal grappolo di colata, frammenti di guscio ceramico dallo stampo stesso, o addirittura piccoli pezzi di scoria formati dagli agenti di degasaggio. Dal punto di vista della fonderia, buone pratiche, stampi puliti e l'uso di filtri ceramici riducono al minimo le inclusioni non metalliche, tuttavia non esiste modo di impedire completamente che piccoli frammenti vengano trasportati nel flusso di metallo e nel getto.
Sebbene tutte e tre le categorie di difetti di porosità possano sembrare dannose per l'integrità interna della fusione, il fatto è che i tipici piccoli vuoti associati alle fusioni possono avere un impatto variabile sulla funzionalità, che va dall'assenza di danni fino ad essere estremamente dannosi se i vuoti si trovano in aree di forte sollecitazione del getto.
Come Evitare la Porosità nelle Fusioni
I controlli di processo per garantire che una fusione sia il più priva possibile di queste varie forme di porosità sono ben compresi dalle fonderie esperte. L’utilizzo di software di previsione della solidificazione, l'uso degli agenti di degasaggio appropriati per la lega fusa e l'uso di filtri metallici sono solo alcuni degli strumenti disponibili.
Con buone pratiche di fonderia, la porosità in una fusione può essere ridotta a un limite accettabile. Tuttavia, è sempre importante tenere presente che la porosità nelle fusioni non può essere quasi mai completamente eliminata a causa della natura del processo che comporta il flusso di metallo fuso ad alte temperature e chimicamente attivo nello stampo.
Fusioni “Zero Porosità”
Il termine "Zero Porosità" nelle fusioni è un po' fuorviante, poiché inevitabilmente ci sarà sempre una qualche forma di porosità che troverà la strada per entrare nella matrice di fusione a causa della natura intrinseca del processo di fusione. Tuttavia, quando la possibilità di avere porosità può portare alla non conformità del componente colato nella sua applicazione prevista, come un componente che trattiene pressione o un componente ad altissima resistenza, esistono tecniche post-fusione che possono essere utilizzate per massimizzare la densità della fusione. Queste sono il processo Hipping e l’Impregnazione.
Processo HIPPING (Hot Isostatic Processing)
L’Hot Isostatic Pressing (HIP) è un processo di fabbricazione che utilizza alta temperatura e pressione isostatica per densificare materiali come metalli, ceramiche e compositi. Questo processo migliora significativamente le proprietà dei materiali riducendo la porosità e aumentando la densità.
Impregnazione
L’impregnazione è un altro metodo comunemente usato per eliminare la porosità nei componenti colati. È anche chiamato sigillatura della porosità o sigillatura dei metalli porosi.
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Presso Edr Fittings Srl, siamo esperti nel mondo della fusione. Possiamo collaborare con te per consigliare i rischi potenziali e l'impatto della porosità sulla tua applicazione specifica, e sugli aspetti economici della produzione se il tuo design richiede una porosità minima o pari a zero.
