Sei metodi chiave di casting: Confronto completo & Approfondimenti

Introduzione

Colata, come uno dei primi processi di lavorazione a caldo dei metalli padroneggiati dagli esseri umani, vanta una storia di circa 6,000 anni.

La Cina è entrata nel periodo di massimo splendore delle fusioni in bronzo 1700 aC e 1000 A.C, con la lavorazione artigianale della fusione che raggiunge un livello abbastanza avanzato.

Come processo fondamentale nella produzione moderna, la fusione consente la formazione di componenti metallici dalla forma complessa difficili da produrre tramite forgiatura o lavorazione meccanica, ed è ampiamente applicato nel settore aerospaziale, automobilistico, macchinari, e industrie di strumenti di precisione.

La scelta dei metodi di fusione determina direttamente la qualità della fusione, Efficienza della produzione, e costi di produzione.

1. Casting di sabbia verde (Colata in sabbia convenzionale)

Definizione fondamentale & Principio del processo

Verde colata in sabbia è il metodo di fusione più tradizionale e ampiamente utilizzato a livello globale.

Le sue materie prime principali sono la sabbia di fonderia (prevalentemente sabbia silicea; sabbie speciali come sabbia di zirconio e sabbia di corindone vengono adottate quando la sabbia silicea non riesce a soddisfare i requisiti di alta temperatura) e leganti di sabbia (l'argilla è la più comune; olio secco, silicato solubile in acqua, fosfato, e le resine sintetiche sono opzioni alternative).

Gli stampi esterni in sabbia sono classificati in tre tipi basati su leganti e meccanismi di formazione della resistenza: stampo in sabbia di argilla verde, stampo in sabbia di argilla secca, e stampo in sabbia legato chimicamente.

Il metallo fuso viene colato nello stampo di sabbia, che solidifica formando getti, e lo stampo viene danneggiato dopo un singolo versamento e non può essere riutilizzato.

Vantaggi

• Materie prime convenienti: L'argilla è ricca di risorse e poco costosa; Sopra 90% della sabbia di argilla verde usata può essere riciclata e riutilizzata dopo il trattamento della sabbia, riducendo gli sprechi di materiale.
• Elevata flessibilità di processo: Ciclo di realizzazione stampi breve ed alta efficienza; la sabbia mista per stampaggio ha una lunga durata; è adattabile ai piccoli, grande, semplice, e fusioni complesse, nonché pezzo unico, piccolo lotto, e scenari di produzione di massa.
• Soglia attrezzatura bassa: Non richiede attrezzature specializzate di fascia alta, adatto a fonderie di piccole e medie dimensioni.

Svantaggi & Limitazioni

• Bassa efficienza produttiva: Ogni stampo in sabbia può essere utilizzato una sola volta e deve essere rimodellato per le fusioni successive, portando ad una bassa efficienza di produzione continua.
• Scarsa precisione dimensionale: La rigidità degli stampi in sabbia è bassa, con conseguenti gradi di tolleranza dimensionale del getto di CT10–CT13, che non possono soddisfare i requisiti di alta precisione.
• Elevato rischio di difetti: Le fusioni sono soggette a difetti tipici come il dilavamento della sabbia, inclusione di sabbia, porosità del gas, e porosità da ritiro dovuta alla struttura sciolta degli stampi in sabbia.
• Qualità superficiale inferiore: La superficie di fusione è relativamente ruvida, che richiedono lavorazioni aggiuntive per migliorare la finitura.

2. Colata di investimento (Fusione a cera persa)

Definizione fondamentale & Principio del processo

Colata di investimento, comunemente detta fusione a cera persa, presenta un flusso di processo sofisticato:

realizzare modelli in cera utilizzando materiali fusibili, rivestire più strati di materiali refrattari sulla superficie del modello per formare un guscio ceramico, sciogliere e rimuovere il modello in cera per ottenere uno stampo senza superfici di divisione, ed eseguire la tostatura ad alta temperatura prima di versare il metallo fuso.

È applicabile ad una vasta gamma di leghe, compreso l'acciaio al carbonio, acciaio legato, lega resistente al calore, acciaio inossidabile, lega di rame, lega di alluminio, lega di titanio, e ferro duttile, soprattutto per materiali difficili da lavorare mediante forgiatura o taglio.

Vantaggi

• Eccellente precisione dimensionale: Tolleranza al lancio i voti raggiungono CT4-CT6, molto più alto della colata in sabbia verde (CT10 - CT13) e paragonabile alla pressofusione (CT5–CT7), riducendo al minimo le lavorazioni post-fusione.
• Elevato utilizzo del materiale: Riduce significativamente il volume di lavorazione delle superfici formate e accoppiate, risparmiando tempo di lavorazione e consumo di utensili da taglio, con tasso di utilizzo del materiale superiore 90%.
• Forte adattabilità della forma: Può lanciare componenti estremamente complessi, parti a pareti sottili (spessore minimo della parete 0,5 mm), e microfusioni (peso minimo 1g);
  supporta anche la fusione integrata di parti assemblate, semplificando i successivi processi di assemblaggio.
• Ampia compatibilità con le leghe: Adatto a quasi tutti i materiali metallici, comprese le leghe ad alta temperatura, leghe di magnesio, leghe di titanio, e metalli preziosi difficili da lavorare con altri metodi.
• Scala di produzione flessibile: Si adatta alla produzione di massa, produzione in piccoli lotti, e anche la personalizzazione di un singolo pezzo, con forte scalabilità.

Svantaggi & Limitazioni

• Flusso di processo complesso: Ha il processo più complesso tra tutti i metodi di fusione, che prevede la realizzazione di modelli in cera, rivestimento del guscio, Dewaxing, torrefazione, e versando, richiedendo un rigoroso controllo del processo.
• Dimensioni di lancio limitate: Non adatto per grandi fusioni; il peso massimo dei getti di investimento convenzionali è generalmente entro 50 kg, poiché i gusci di grandi dimensioni tendono a rompersi durante la tostatura e il versamento.
• Velocità di raffreddamento lenta: Il guscio ceramico ha una bassa conduttività termica, portando alla lenta solidificazione del metallo fuso, che possono causare strutture a grana grossa in alcune leghe.
• Costo di produzione elevato: Il costo dei modelli in cera, materiali refrattari, e il controllo del processo è relativamente elevato; è economicamente sostenibile solo se combinato con una lavorazione ridotta e un risparmio di materiale.

3. Pressofusione

Definizione fondamentale & Principio del processo

Pressofusione è un metodo di colata ad alta pressione che prevede l'iniezione di metallo fuso ad alta velocità in una cavità di uno stampo metallico di precisione (10–50m/s) sotto alta pressione (20–150MPa), e solidificare il metallo sotto pressione per formare getti.

Ha due processi fondamentali: Casting da morire a casa calda (il metallo fuso scorre automaticamente nella camera a pressione) e pressofusione a camera fredda (il metallo fuso viene versato manualmente o automaticamente nella camera a pressione).

Lo stampo è realizzato in acciaio per stampi ad alta resistenza, garantendo un uso ripetuto.

Vantaggi

• Qualità del prodotto superiore: La precisione dimensionale della fusione raggiunge il grado 6–7 (anche grado 4 per prodotti di precisione) con rugosità superficiale Ra 5–8μm;
  la resistenza e la durezza sono superiori del 25–30% rispetto alle fusioni in sabbia verde a causa della solidificazione sotto pressione, anche se l'allungamento diminuisce di circa 70%.
• Efficienza produttiva ultraelevata: Una macchina di pressofusione orizzontale a camera fredda può completare 600-700 cicli al minuto 8 ore,
  mentre una piccola macchina per pressofusione a camera calda può raggiungere 3.000–7.000 cicli, superando di gran lunga altri metodi di fusione.
• Lunga durata dello stampo: Gli stampi per la pressofusione delle leghe di zinco possono durare centinaia di migliaia o addirittura milioni di volte, riducendo i costi di produzione a lungo termine.
• Automazione semplice: Il processo è altamente compatibile con la meccanizzazione e l’automazione, ridurre il costo del lavoro e migliorare la stabilità della produzione.
• Ottimi vantaggi economici: Le fusioni richiedono una lavorazione minima o nulla, migliorare l’utilizzo dei metalli e ridurre gli investimenti nelle apparecchiature di lavorazione;
  la pressofusione combinata di materiali metallici e non metallici consente di risparmiare tempo di assemblaggio e materie prime.

Svantaggi & Limitazioni

• Elevato rischio di difetti dovuti alla porosità da gas: Il riempimento ad alta velocità porta a un flusso instabile di metallo fuso,
  intrappola facilmente il gas formando porosità interna, che rende i getti incapaci di subire trattamenti termici (il trattamento termico provoca espansione e fessurazione del gas).
• Scarsa adattabilità alle parti concave interne complesse: È difficile sformare strutture complesse concave interne, limitando la progettazione delle forme di fusione.
• Breve durata dello stampo per leghe ad alto punto di fusione: Per leghe ad alto punto di fusione come leghe di rame e metalli ferrosi, lo stampo è soggetto a fatica termica e usura, riducendo significativamente la durata.
• Non adatto per la produzione di piccoli lotti: Il costo di produzione dello stampo è elevato, e l’elevata efficienza delle macchine per pressocolata rende la produzione in piccoli lotti economicamente impraticabile.

4. Colata in stampo permanente (Colata in stampo duro)

Definizione fondamentale & Principio del processo

Colata in stampo permanente, detta anche fusione in stampo duro, prevede il versamento del metallo fuso in uno stampo metallico per formare getti.

Lo stampo è realizzato in ghisa o acciaio fuso e può essere riutilizzato da centinaia a migliaia di volte, da qui il nome “muffa permanente”.

La cavità interna dei getti può utilizzare anime metalliche o anime in sabbia, e le strutture dello stampo sono divise in partizioni orizzontali, divisione verticale, e divisione in composito per adattarsi a diverse forme di fusione:

la divisione verticale facilita l'apertura e la sformatura, la divisione orizzontale è per parti a forma di ruota con pareti sottili, e la divisione composita è per componenti complessi.

Vantaggi

• Eccellente riutilizzabilità dello stampo: "Uno stampo per più colate" elimina la necessità di ripetere la realizzazione di stampi, risparmiando tempo e materiali di stampaggio, e migliorare l’efficienza produttiva.
• Elevate prestazioni di lancio: Lo stampo in metallo ha una forte capacità di raffreddamento, portando a una struttura di fusione densa e proprietà meccaniche superiori rispetto alle fusioni in sabbia.
• Buona precisione dimensionale e qualità della superficie: I gradi di tolleranza della colata raggiungono IT12–IT14, rugosità superficiale Ra ≤6,3μm, riducendo il carico di lavoro post-elaborazione.
• Condizioni di lavoro migliorate: Utilizza poca o nessuna sabbia, evitando l’inquinamento da polveri e ottimizzando l’ambiente operativo per i lavoratori.

Svantaggi & Limitazioni

• Costo elevato dello stampo e ciclo produttivo lungo: Lo stampo in metallo richiede materiali ad alta resistenza e lavorazioni di precisione,
  con investimenti iniziali elevati e tempi di consegna lunghi, inadatto alla produzione di pezzi singoli e di piccoli lotti.
• Leghe applicabili e dimensioni di fusione limitate: Principalmente adatto per la produzione in serie di getti di leghe non ferrose (pistoni in alluminio, blocchi cilindri, teste dei cilindri, boccole in lega di rame, ecc.) per automobili, aereo, e motori a combustione interna;
  per fusioni di leghe ferrose, è applicabile solo a pezzi di piccole e medie dimensioni con forme semplici.
• Requisiti di processo rigorosi: Lo stampo necessita di preriscaldamento e controllo della temperatura per evitare chiusure a freddo e rotture dello stampo; è soggetto a affaticamento termico dopo un uso a lungo termine, influenzando la qualità della fusione.

5. Colata a bassa pressione

Definizione fondamentale & Principio del processo

La fusione a bassa pressione è un metodo di fusione che riempie lo stampo e solidifica il metallo fuso a bassa pressione (0.02-0,06MPa).

Il processo principale include: versando il metallo fuso in un crogiolo isolato, sigillare il crogiolo, collegando il tubo montante allo stampo, introducendo aria compressa secca nel crogiolo per spingere il metallo fuso verso l'alto attraverso il tubo montante per riempire la cavità dello stampo,
solidificando il metallo sotto pressione costante, rilasciando la pressione per far rifluire il metallo fuso residuo nel crogiolo, ed infine aprire lo stampo per estrarre la colata.

Vantaggi

• Controllo di processo flessibile: La velocità di salita del metallo fuso e la pressione di solidificazione sono regolabili, adatto a vari stampi (stampi metallici, stampi di sabbia) e leghe, così come getti di diverse dimensioni.
• Riempimento stabile e basso tasso di difetti: Il riempimento dal basso verso l'alto garantisce un flusso regolare del metallo fuso senza spruzzi, evitando l'intrappolamento del gas e l'erosione delle pareti e delle anime dello stampo;
  i difetti di fusione come la porosità da gas e l'inclusione di scorie vengono notevolmente ridotti, con tasso di qualificazione finito 95%.
• Getti di alta qualità: La solidificazione a pressione realizza la solidificazione direzionale dall'esterno verso l'interno, con conseguente struttura di colata densa,
  contorni netti, superfici lisce, ed eccellenti proprietà meccaniche, particolarmente adatto per pezzi di grandi dimensioni a pareti sottili.
• Elevato utilizzo del materiale: Non è necessaria alcuna alzata di alimentazione, con un tasso di utilizzo del materiale che raggiunge il 90–98%, riduzione dei rifiuti metallici.
• Ambiente di lavoro amichevole: Bassa intensità di lavoro, attrezzature semplici, e facile realizzazione di meccanizzazione e automazione, rispondente alle moderne esigenze produttive.

Svantaggi & Limitazioni

• Breve durata del tubo montante: Il tubo montante rimane a lungo in contatto diretto con il metallo fuso ad alta temperatura, soggetto a ossidazione e usura, richiedendo una sostituzione regolare.
• Rischio inquinamento da metalli fusi: Durante la conservazione del calore, il metallo fuso si ossida facilmente e si mescola con le scorie, che richiedono un controllo rigoroso dell'ambiente di conservazione del calore e della purificazione del metallo fuso.
• Ambito di applicazione limitato: Utilizzato principalmente per la fusione di leghe di alluminio e leghe di magnesio di alta qualità, come i blocchi cilindri, teste dei cilindri, basamenti, e pistoni in alluminio per motori a combustione interna ad alta velocità; è usato raramente per le leghe ferrose a causa dei requisiti di alta temperatura.

6. Casting centrifugo

Definizione fondamentale & Principio del processo

La fusione centrifuga prevede il versamento del metallo fuso in uno stampo rotante, dove il metallo riempie lo stampo e solidifica sotto la forza centrifuga.

Secondo l’orientamento dell’asse di rotazione dello stampo, è diviso in tre tipologie: colata centrifuga orizzontale (asse orizzontale o <4° a orizzontale, adatto per pezzi cilindrici lunghi),

colata centrifuga verticale (asse verticale, adatto per parti cilindriche o anulari corte), e fusione centrifuga ad asse inclinato (usato raramente a causa del funzionamento complesso).

La forza centrifuga guida il movimento direzionale del metallo fuso, ottimizzazione della struttura del getto.

Vantaggi

• Struttura dello stampo semplificata: Per parti rotanti cave, nessun nucleo, Sistema di gating, o è necessario un montante, semplificando la progettazione degli stampi e riducendo i costi di produzione.
• Getti di alta qualità: La forza centrifuga separa i gas e le scorie a bassa densità sulla superficie interna,
  e promuove la solidificazione direzionale dall'esterno verso l'interno, con conseguente struttura di colata densa, pochi difetti, ed eccellenti proprietà meccaniche.
• Risparmio sui costi per le parti bimetalliche: Componenti bimetallici facili da fondere come boccole e cuscinetti (per esempio., manicotti in acciaio con un sottile rivestimento in rame), risparmiando costosi metalli non ferrosi garantendo al tempo stesso le prestazioni.
• Forte capacità di riempimento: La forza centrifuga migliora la fluidità del metallo fuso, adatto per la fusione di pezzi a parete sottile e leghe con scarsa fluidità.
• Ridotto spreco di materiale: Elimina i sistemi di cancelli e le alzate, migliorare ulteriormente l’utilizzo dei materiali.

Svantaggi & Limitazioni

• Scarsa qualità della superficie interna: La superficie libera interna dei getti è ruvida, con grandi errori dimensionali e scarsa uniformità, che richiedono lavorazioni successive per soddisfare i requisiti dimensionali.
• Non adatto per alcune leghe: Non applicabile alle leghe con segregazione di densità severa (per esempio., bronzo al piombo), poiché la forza centrifuga aggraverà la segregazione;
  inoltre non adatti per leghe di alluminio e magnesio a causa della loro bassa densità e dello scarso effetto di separazione centrifuga.
• Forme di fusione limitate: Adatto solo per parti rotanti simmetriche (cilindri, anelli, maniche); non è possibile realizzare pezzi di forma complessa con contorni irregolari.
• Elevati requisiti di attrezzatura: Richiede macchine di colata centrifuga specializzate con controllo stabile della velocità di rotazione, aumento degli investimenti in attrezzature.

7. Tabella comparativa dei metodi di fusione comunemente utilizzati

8. Conclusione

Ciascun metodo di fusione offre vantaggi e limitazioni unici che lo rendono adatto ad applicazioni specifiche.

La fusione in sabbia rimane il metodo più versatile ed economico per le grandi dimensioni, getti complessi, mentre la fusione a cera persa fornisce una precisione eccezionale per componenti di alto valore.

La pressofusione eccelle nella produzione in grandi volumi di parti a pareti sottili, e la fusione in stampo permanente offre una qualità costante per la produzione di volumi medi di materiali non ferrosi.

La fusione a bassa pressione è ideale per componenti in alluminio e magnesio ad alta integrità, e la fusione centrifuga non ha eguali per le parti cave simmetriche.

La selezione di un metodo di fusione appropriato dipende da fattori tra cui la geometria della parte, precisione dimensionale richiesta, finitura superficiale, Tipo di materiale, volume di produzione, e considerazioni sui costi.

La produzione moderna combina sempre più queste tecniche per sfruttare i loro vantaggi complementari, promuovere l’innovazione nella produzione di componenti complessi nel settore aerospaziale, automobilistico, e settori industriali.