Introduzione alla colata di metallo in polvere

La fusione è un processo che consiste nel fondere il metallo fino a trasformarlo in un liquido conforme a determinati requisiti e nel versarlo in uno stampo, quindi raffreddarlo, solidificarlo e pulirlo per ottenere un getto di forma, dimensioni e prestazioni prestabilite.

Sviluppo storico della fusione
La fusione è un antico metodo di produzione, le cui origini nel nostro Paese risalgono a 6.000 anni fa. Con lo sviluppo della tecnologia industriale, la qualità dei getti di grandi dimensioni influisce direttamente sulla qualità dei prodotti. Pertanto, la fusione occupa una posizione importante nell’industria della costruzione di macchinari. Anche lo sviluppo della tecnologia di fusione è molto rapido, soprattutto tra la fine del XIX secolo e la prima metà del XX secolo, quando comparvero molti nuovi metodi di fusione, come la fusione a bassa pressione, la fusione ceramica e la colata continua, che furono migliorati e messi in pratica nella seconda metà del XX secolo.

A causa degli attuali requisiti relativi alla qualità, alla precisione, ai costi e all’automazione della fusione, la tecnologia di fusione si sta sviluppando verso la precisione, le grandi dimensioni, l’alta qualità, l’automazione e la pulizia. Ad esempio, negli ultimi anni il nostro Paese ha compiuto rapidi progressi nella tecnologia della fusione di precisione, nella colata continua, nelle tecnologie di fusione speciali, nell’automazione della fusione e nella simulazione della formatura per fusione.

Caratteristiche della fusione:

1. Le materie prime per la fusione sono ampiamente disponibili e i costi di produzione sono bassi. Rispetto ad altri processi di formatura, la fusione presenta vantaggi evidenti.
2. La fusione è un processo di formatura del metallo liquido, quindi consente di produrre forme molto complesse, in particolare semilavorati o componenti di varie dimensioni con cavità interne complesse.
3. Le dimensioni, il peso e il lotto di produzione dei getti non sono soggetti a restrizioni e risultano relativamente flessibili.
4. I costi di produzione sono bassi, le risorse vengono risparmiate e il tasso di utilizzo del materiale è elevato, perciò la fusione è ampiamente utilizzata.
5. Le proprietà meccaniche dei getti non sono buone quanto quelle dei forgiati con la stessa composizione chimica.
6. A causa dei numerosi processi produttivi e dell’elevato impiego di materiali nella fusione, la qualità dei getti non è sufficientemente stabile e il tasso di scarto è relativamente alto quando il controllo non è adeguato.
7. Anche le condizioni di lavoro sono sfavorevoli.

Vantaggi e svantaggi della fusione
Vantaggi:
1) È possibile produrre semilavorati con forme complesse, in particolare componenti con cavità interne complesse, come varie scatole, basi, telai, ecc.
2) La produzione per fusione offre un’ampia adattabilità e una grande flessibilità di processo. Tutti i materiali metallici comunemente utilizzati nell’industria possono essere impiegati per la fusione. Il peso dei getti può variare da pochi grammi a centinaia di tonnellate, mentre lo spessore delle pareti può variare da 0.5mm a circa 1m.
3) La maggior parte delle materie prime per la fusione è ampiamente disponibile, economica e può utilizzare direttamente parti di scarto, quindi il costo dei getti è basso.
Svantaggi:
1) La struttura dei getti è porosa e i grani sono grossolani; all’interno possono formarsi facilmente cavità da ritiro, ritiri, porosità e altri difetti. Pertanto, le proprietà meccaniche dei getti, in particolare la tenacità all’urto
sono inferiori a quelle dei forgiati dello stesso materiale.
2) La qualità dei getti non è sufficientemente stabile.

Confronto tra metallurgia delle polveri e fusione
Entrambe sono tecnologie di formatura dei materiali e la differenza è simile a quella tra ghisa e ceramica. La fusione utilizza il cambiamento di fase dei materiali da liquido a solido per la formatura; la metallurgia delle polveri utilizza materiali a basso punto di fusione tra particelle solide per ottenere la formatura.
Nella fusione il metallo viene completamente fuso, mentre nella metallurgia delle polveri non lo è, poiché viene fusa solo una parte del materiale. Lo stampo di fusione è molto più grande di quello utilizzato nella metallurgia delle polveri e il suo costo è da diverse volte a dieci volte superiore. La metallurgia delle polveri è una tecnologia di processo per produrre metalli o utilizzare polveri metalliche (o una miscela di polveri metalliche e non metalliche) come materia prima, formandole e sinterizzandole per fabbricare materiali metallici, compositi e vari tipi di prodotti. L’essenza della fusione consiste nel riempire ad alta velocità la cavità dello stampo per pressofusione con metallo liquido o semiliquido e nel formarlo e solidificarlo sotto pressione per ottenere i getti. La differenza tra i due processi risiede nei diversi stati del metallo formato e nei diversi metodi di controllo della temperatura dopo che il materiale ha riempito la cavità.

La metallurgia delle polveri è mirata, cioè la maggior parte dei metalli refrattari e dei loro composti, delle pseudo-leghe e dei materiali porosi può essere prodotta solo mediante metallurgia delle polveri.
I materiali ottenuti con la metallurgia delle polveri presentano un elevato tasso di utilizzo e un’elevata efficienza produttiva. Poiché i semilavorati pressati vengono spesso compressi fino alle dimensioni finali dei componenti, è necessaria poca o nessuna lavorazione meccanica successiva. Di norma, quando i prodotti vengono realizzati mediante metallurgia delle polveri, la perdita di metallo è solo dell’1%-5%, mentre può raggiungere l’80% utilizzando i comuni metodi di fusione.
La metallurgia delle polveri offre la possibilità di produrre materiali di elevata purezza. Poiché il processo di metallurgia delle polveri è diverso dai metodi di fusione, durante la produzione del materiale non vengono introdotte impurità. Inoltre, il processo di metallurgia delle polveri è relativamente semplice e facile da gestire.

Confronto dei processi
Processo di base della metallurgia delle polveri
La polvere può essere costituita da metallo puro o lega, materiale non metallico, composto metallico e altri vari composti. Il secondo passaggio consiste nell’utilizzare un metodo di formatura specifico per trasformare la polvere ottenuta nel primo passaggio nella forma richiesta del semilavorato, in base alle condizioni effettive. I metodi di formatura comprendono la semplice pressatura, la pressatura isostatica, la laminazione, l’estrusione, la formatura esplosiva, ecc. L’ultimo passaggio è la sinterizzazione del semilavorato. La sinterizzazione viene eseguita a una temperatura inferiore al punto di fusione del componente principale del materiale, in modo che il materiale e il prodotto acquisiscano le proprietà fisiche, chimiche e meccaniche finali.
Processo di fusione
Il processo principale di fusione comprende: fusione del metallo, realizzazione del modello, colata e solidificazione, sformatura e pulizia, ecc.

Differenze tra metallurgia delle polveri e formatura del metallo liquido

Metallurgia delle polveri: P.M; Metallurgia per fusione: F.M
◆Diversa composizione e struttura del prodotto
La composizione del prodotto finale della P.M rimane invariata, ma la polvere viene consolidata;
La struttura organizzativa del prodotto finale della F.M cambia, ad esempio: si parte da due metalli e si termina con una lega.
◆Diverse prestazioni del prodotto
La P.M può produrre prodotti con prestazioni speciali, ad esempio: metalli ad alto punto di fusione, materiali porosi, materiali d’attrito,
materiali con proprietà magnetiche o elettriche;
La F.M può produrre solo prodotti comuni.

◆Confronto dei processi produttivi
Processo P.M
a. Metodo tradizionale: metallo → metodo chimico, metodo fisico, metodo meccanico → polvere di forme e granulometrie diverse → miscelazione → pressatura → sinterizzazione → prodotto → post-lavorazione
b. Tecnologia avanzata: consolidamento a caldo - pressatura e sinterizzazione simultanee (pressatura a caldo, estrusione a caldo, pressatura isostatica a caldo, forgiatura, ecc.)
Processo F.M
Metallo → fusione in lingotti → laminazione, trafilatura, estrusione, forgiatura, lavorazione meccanica → fili, barre, profilati e altri prodotti di forme e proprietà diverse