1. Introduzione
Precisione (investimento) la fusione è ampiamente utilizzata per le giranti delle pompe, corpi valvole, componenti turbo, impianti medici e parti su misura in cui la geometria, la finitura superficiale e l'integrità metallurgica sono fondamentali.
Acciai inossidabili sono interessanti per quelle applicazioni a causa della resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche e resistenza al calore.
Ma la combinazione di forme complesse, le sezioni sottili e la metallurgia dell'acciaio inossidabile amplificano il rischio di difetti.
Per mitigare questi rischi è necessario un approccio integrato dalla selezione dei materiali alla progettazione del modello fino alla fusione, fabbricazione di conchiglie, versando, trattamento termico, ispezione e finitura.
2. Principali famiglie di acciai inossidabili utilizzati nella microfusione
- Austenitico (per esempio., 304, 316, 321, CF-3M): Elevato contenuto di Ni/Cr, buona duttilità e resistenza alla corrosione.
Gli austenitici sono tolleranti in termini di fessurazione ma sono soggetti a porosità da gas (idrogeno), ossidazione superficiale e carburazione/decoking interna in alcune atmosfere.
Non si trasformano durante il raffreddamento, quindi il controllo della solidificazione e della pulizia delle inclusioni è fondamentale. - Duplex (ferritico-austenitico): Maggiore resistenza e resistenza SCC migliorata in alcuni ambienti.
Le qualità duplex sono più sensibili alla storia termica: l'esposizione prolungata nell'intervallo 300–1000°C può favorire fasi infragilenti (sigma), e lo squilibrio nel raffreddamento può portare a rapporti ferrite/austenite indesiderati. - Martensitico / Responsabile delle precipitazioni (per esempio., 410, 17-4PH): Utilizzato quando è necessaria una maggiore resistenza/rigidità o durezza.
Queste leghe possono essere più suscettibili alla fessurazione se il ritiro da solidificazione o i gradienti termici non sono gestiti adeguatamente e richiedono un attento trattamento termico post-colata. - Altolegato/speciale (per esempio., 6Mo, 20Cr-2Ni): Una maggiore lega può intensificare i problemi di segregazione, ossidazione e compatibilità refrattaria; la pratica della fusione e il controllo delle scorie diventano ancora più importanti.
3. Il processo di fusione di precisione: passaggi critici e variabili di controllo
Fasi chiave in cui vengono introdotti i difetti:
- Modello & Design gating: modello in cera o polimero, gating, strategia di alzata, filetti, bozza.
- Edificio a guscio: chimica dei liquami, dimensione dello stucco, cicli di asciugatura/stagionatura e controllo dello spessore del guscio.
- Rimozione del modello / dewax: pulizia e assenza di residui.
- Preriscaldare / cottura al forno: temperatura controllata per rimuovere i residui organici e controllare lo shock termico.
- Fusione & trattamento dei metalli: pratica di fusione (induzione, induzione del vuoto, cupola evitata per l'inox), Disossidazione, rimozione delle scorie, degassante (Argon), controllo dell'inclusione, e accuratezza della chimica delle leghe.
- Versare: Temperatura di versamento, tecnica (versare dal basso/dall'alto), per la milza, e controllo dell'atmosfera.
- Solidificazione & raffreddamento: solidificazione direzionale, prestazioni del montante, controllo dei gradienti termici.
- Rimozione del guscio, pulizia e sbavatura: pulizia meccanica e chimica, ispezione.
- Trattamento termico post-fusione: soluzioni ricorre, spegnere, tempera, riduzione dello stress come dettato dalle esigenze meccaniche e della lega.
- Prove non distruttive & finitura: NDT, lavorazione, HIP se specificato, finitura superficiale e passivazione.
Le variabili di controllo includono: fondono pulizia e chimica, porosità e permeabilità del guscio, profilo di preriscaldamento, temperatura di versamento e turbolenza, configurazione di montante e alimentatore, e cicli termici post colata.
4. Difetti più comuni nelle fusioni di precisione di acciaio inossidabile
Questa sezione elenca i difetti che compaiono più frequentemente nell'acciaio inossidabile getti di investimento, spiega come e perché si formano, e fornisce un rilevamento pratico, misure di prevenzione e bonifica.
Porosità da gas (soffiature, fori di spillo, porosità a nido d'ape)
Come appare: vuoti sferici o arrotondati distribuiti nel getto; fori di spillo che rompono la superficie o gruppi di porosità del sottosuolo; a volte una rete a nido d'ape nelle regioni interdendritiche.
Cause profonde: gas disciolto (prevalentemente idrogeno, a volte azoto/ossigeno) rilasciato durante la solidificazione; umidità o sostanze organiche volatili nel guscio o nel modello; degasaggio inadeguato; versamento turbolento che trascina aria o scorie; Reazioni nel gas che produce la fusione.
Come rilevare: visivo (fori di spillo superficiali), colorante penetrante per rompere i pori superficiali, radiografia/TC per la porosità del sottosuolo, test di tenuta a ultrasuoni o con elio per parti critiche per la pressione.
Prevenzione: asciugare rigorosamente i gusci e controllare la rimozione di decera/cenere; eseguire il degasaggio della fusione (miscele argon/argon-ossigeno, degassamento del vuoto);
utilizzare materiali a carica pulita e ridurre al minimo il flusso reattivo; versare con tecniche di flusso laminare o bottom-pour; controllare la temperatura di versamento per bilanciare la fluidità rispetto alla raccolta del gas.
Bonifica: Pressatura isostatica calda (ANCA) per chiudere la porosità interna dove la funzione lo richiede; lavorazione locale per eliminare i pori superficiali; riparazione di saldature per difetti isolati se la metallurgia e la progettazione lo consentono.
Porosità da ritiro (ritiro interdendritico)
Come appare: irregolare, spesso vuoti interconnessi concentrati nei luoghi in cui si è verificato l'ultimo congelamento (sezioni spesse, giunzioni)-può apparire come una rete dendritica o un vuoto centrale.
Cause profonde: alimentazione inadeguata durante la solidificazione; leghe con ampi intervalli di congelamento che favoriscono il ritiro interdendritico;
posizionamento errato del montante/cancello; surriscaldamento o isolamento eccessivo insufficiente che ritarda la solidificazione nei punti caldi.
Come rilevare: radiografia e TC per la mappatura dei vuoti interni; sezionamento metallografico per confermare la morfologia interdendritica.
Prevenzione: applicare pratiche di solidificazione direzionale: posizionare colonne montanti/alimentatori sugli ultimi volumi a congelare, utilizzare i brividi per modificare il percorso di solidificazione, rivedere il gating per garantire l'alimentazione, utilizzare software di simulazione per verificare il comportamento degli hot spot.
Bonifica: HIP per densificare il ritiro interno; riprogettazione per aggiungere alimentazione o modificare la geometria della sezione per la produzione successiva; accumulo localizzato di saldature per quanto consentito, ritiro accessibile.
Inclusioni e intrappolamento delle scorie
Come appare: particelle angolari scure o stringhe nella matrice (scorie, pellicole di ossido, frammenti refrattari), a volte visibile su superfici lavorate o in sezioni trasversali di frattura.
Cause profonde: inadeguata scrematura/rimozione delle scorie nel forno, getto turbolento trascinando scorie, materiali del guscio incompatibili che si sfaldano nella massa fusa, flussaggio inadeguato, o raffinazione della fusione insufficiente.
Come rilevare: radiografia/TC per inclusioni più grandi, metallografia per piccole particelle, Ispezione white-etch e frattografia per l'analisi dei guasti.
Prevenzione: pulizia rigorosa della fusione (scrematura, flusso), versamento controllato per evitare turbolenze, versamento dal basso o in immersione, ove possibile,
formulazione a guscio compatibile con friabilità controllata, e pratiche periodiche di trasferimento delle siviere che riducono al minimo il trascinamento delle scorie.
Bonifica: lavorazione delle inclusioni superficiali; riparazione di saldature o sostituzione di sezioni per parti portanti; migliore pratica di fusione e ispezione prima dei getti successivi.
Chiusure fredde e errori di funzionamento (riempimento incompleto)
Come appare: linee di superficie, linee di giro fredde, sezioni incomplete, o aree sottili in cui la cavità non era completamente riempita.
Cause profonde: bassa temperatura di colata, flusso di metallo fuso insufficiente, scarso controllo o ventilazione, eccessiva permeabilità del guscio o punti umidi, sezioni eccessivamente sottili o percorsi di flusso lunghi.
Come rilevare: ispezione visiva e controlli dimensionali per difetti superficiali; TC/radiografia per confermare il riempimento incompleto delle regioni nascoste.
Prevenzione: convalidare il gating e lo sfiato per il sistema laminare, flusso ininterrotto; regolare la temperatura di versamento e la velocità di versamento per mantenere la fluidità;
garantire uno spessore di sezione uniforme o aggiungere canali di alimentazione; migliorare l'asciugatura del guscio per evitare raffreddamenti localizzati.
Bonifica: rilavorazione mediante saldatura e lavorazione laddove la geometria lo consente; riprogettare il gate per le corse future.
Strappo caldo / cracking caldo (crepe di solidificazione)
Come appare: crepe irregolari nelle regioni che si solidificano per ultime, spesso su superfici esterne o vicino a raccordi e lavorazioni vincolate, che compaiono durante il raffreddamento.
Cause profonde: deformazioni a trazione durante l'intervallo semisolido/tardiva di solidificazione quando la duttilità del metallo è bassa; geometria vincolata, bruschi cambiamenti di sezione, alimentazione inadeguata o scarsa compliance della muffa; le leghe con ampi intervalli di solidificazione sono più sensibili.
Come rilevare: visivo e colorante penetrante per fessurazioni superficiali; radiografia/TC per crepe nel sottosuolo; metallografia per confermare la morfologia della solidificazione e la tempistica della cricca.
Prevenzione: progettazione per ridurre la restrizione (aggiungere i filetti, aumentare i raggi, evitare nuclei rigidi che fissano il movimento), modificare la strategia di apertura/colonna montante per ridurre la deformazione a trazione durante la solidificazione,
utilizzare materiali per stampi con leggera cedevolezza o manicotti isolanti, e perfezionare la sequenza di fusione per ridurre i gradienti termici.
Bonifica: a volte riparabile mediante rivestimento di saldatura e trattamento termico post-saldatura se la geometria e la metallurgia lo consentono; altrimenti riprogettare e ristampare gli strumenti.
Come appare: Rugosità superficiale, particelle refrattarie taglienti incorporate, frammenti di guscio sciolti o sezioni di scaglie che si sfaldano. Il dilavamento del guscio può creare cavità superficiali di grandi dimensioni.
Cause profonde: guscio debole (stucco inadeguato, guscio poco cotto), attacco chimico tra metallo fuso e legante del guscio, eccessiva turbolenza di versamento, o una temperatura eccessiva del metallo che causa la rottura del guscio.
Come rilevare: ispezione visiva della superficie grezza, metallografia per identificare le inclusioni refrattarie, e frattografia per determinare il coinvolgimento del legame del guscio.
Prevenzione: controllare la composizione dell'impasto liquido e la classificazione dello stucco, applicare i programmi corretti di asciugatura del guscio e di deparaffinazione, utilizzare rivestimenti del guscio, ove opportuno, per limitare la reazione metallo-guscio, e utilizzare pratiche di getto appropriate per limitare l'erosione meccanica.
Bonifica: rimuovere e rattoppare le cavità superficiali mediante saldatura e lavorazione; rilavorazione o rottamazione se la contaminazione compromette l'integrità strutturale; corretto processo di shell per le esecuzioni successive.
Ossidazione, formazione di incrostazioni e contaminazione della superficie
Come appare: scaglia di ossido pesante, pellicole superficiali nere/grigie, macchie scure o macchie; nei casi più gravi, ossido scheggiato che espone metallo grezzo.
Cause profonde: esposizione all'aria/ossigeno a temperature elevate di fusione/versamento, flusso protettivo/copertura inadeguati, residui deparaffinanti o contaminanti carboniosi che portano a reazioni localizzate.
Come rilevare: ispezione visiva, test di chimica delle superfici, e sezioni trasversali ottiche/metallografiche per controllare lo spessore e la penetrazione dell'ossido.
Prevenzione: utilizzare coperture protettive per flusso o coperture per gas inerte sulla massa fusa, controllare la temperatura e l'atmosfera del getto, garantire un'accurata deceratura e lavaggio del guscio, e specificare adeguati sistemi di involucro e rivestimento che riducano al minimo la reazione.
Bonifica: rimozione meccanica (Scatto, macinazione), pulizia chimica, elettrolucidatura, e passivazione per ristabilire la superficie resistente alla corrosione; nei casi più gravi, sostituire la parte.
Carburatizzazione della carburizzazione / decarburazione e cambiamenti chimici superficiali
Come appare: strato superficiale scurito o fragile (carburazione) o morbido, superficie impoverita (decarburazione), con conseguente ridotta resistenza alla fatica e suscettibilità alla corrosione localizzata.
Cause profonde: diffusione del carbonio dai leganti, cera residua, componenti del guscio carbonioso, o riducendo le atmosfere durante il trattamento termico; decarburazione causata da atmosfere ossidanti o cottura eccessiva a temperature elevate.
Come rilevare: profilazione della microdurezza, sezioni trasversali metallografiche, analisi superficiale del carbonio/zolfo.
Prevenzione: scegliere sistemi a guscio e leganti a basso residuo di carbonio, controllare i cicli di cottura/riscaldamento, incorporare protocolli di cottura che eliminano le sostanze volatili, e utilizzare forni ad atmosfera controllata per il trattamento termico.
Bonifica: lavorazione per rimuovere la superficie compromessa, adeguato trattamento termico in atmosfera inerte o sotto vuoto, oppure macinazione localizzata seguita da passivazione.
Segregazione e linea centrale / macrosegregazione
Come appare: variazioni compositive tra sezioni di fusione di grandi dimensioni: concentrazione di elementi di lega o impurità nella linea centrale o in altri punti caldi, talvolta accompagnati da microcostituenti duri o fragili.
Cause profonde: Segregazione dendritica durante la solidificazione, velocità di raffreddamento lente in grandi sezioni, intervalli di congelamento lunghi per alcune leghe inossidabili, e mancanza di trattamento termico omogeneizzante.
Come rilevare: mappatura chimica (EDS/WDS), indagini di microdurezza, metallografia e analisi compositiva tra le sezioni.
Prevenzione: controllare la velocità di solidificazione tramite raffreddamenti o sezionamento modificato, ottimizzare il gating per ridurre i lunghi percorsi di solidificazione,
utilizzare la ricottura di omogeneizzazione quando la geometria e la metallurgia lo consentono, e considerare la tecnologia di fusione (VIM/VAR) ridurre la macrosegregazione.
Bonifica: trattamento termico di omogeneizzazione per ridurre gli effetti di segregazione o riprogettazione dei componenti per evitare la dipendenza critica delle proprietà dalle regioni segregate; Anche l'HIP con successivo trattamento termico può mitigare.
Distorsione, tensioni residue e fessurazioni post-lavorazione
Come appare: parti deformate, dimensioni fuori tolleranza dopo la rimozione del guscio o il trattamento termico; fessurazioni durante la lavorazione o in servizio.
Cause profonde: raffreddamento non uniforme, trasformazioni di fase (nei gradi martensitici o duplex), raffreddamento vincolato, lavorazione che rilascia lo stress residuo incorporato, e programmi di trattamento termico inappropriati.
Come rilevare: ispezione dimensionale, mappatura della distorsione, test con coloranti penetranti o particelle magnetiche per individuare eventuali crepe, e analisi di fase metallografica.
Prevenzione: controllare la velocità di raffreddamento, eseguire trattamenti termici di distensione prima delle lavorazioni pesanti, ove applicabile, lavorazione in sequenza per bilanciare la rimozione del materiale, ed evitare brusche transizioni di sezione che intrappolano lo stress.
Bonifica: ricottura di distensione, cicli di trattamento termico, cambiamenti nella strategia di lavorazione, o raddrizzatura termica in condizioni controllate.
Difetti di finitura superficiale (rugosità, trasferimento della trama della conchiglia, vaiolatura)
Come appare: rugosità eccessiva, grana/struttura del guscio visibile sulla superficie della fusione, vaiolature o incisioni localizzate dopo il trattamento termico.
Cause profonde: stucco grossolano, scarso controllo del liquame, lavaggio del guscio inadeguato, residui di cenere del legante, o atmosfere aggressive per trattamenti termici.
Come rilevare: profilometria, ispezione visiva, e microscopia.
Prevenzione: scegliere la dimensione corretta delle particelle di stucco per la finitura desiderata, controllare la viscosità e l'applicazione del liquame, garantire un'accurata pulizia del guscio e cicli di cottura controllati,
e utilizzare processi di finitura post-fusione (colpo di esplosione, rotolamento vibratorio, lavorazione) come specificato.
Bonifica: finitura meccanica (macinazione, lucidatura), attacco chimico/decapaggio ed elettrolucidatura; applicare successivamente la passivazione.
Microcracking e attacco intergranulare (Tendenza IGSCC)
Come appare: sottili fessure intergranulari, spesso associato ad aree di sensibilizzazione o corrosione localizzata dopo esposizione ad ambienti corrosivi.
Cause profonde: precipitazione del carburo di cromo ai bordi del grano (sensibilizzazione) da un trattamento termico improprio, segregazione, o esposizione prolungata nell'intervallo di temperature di sensibilizzazione; le tensioni residue aggravano la fessurazione sotto attacco corrosivo.
Come rilevare: metallografia con attacco per la sensibilizzazione, colorante penetrante per fessurazioni superficiali, e prove di corrosione (per esempio., prove di corrosione intergranulare ove applicabile).
Prevenzione: cicli di solubilizzazione e raffreddamento appropriati per i gradi austenitici, controllo della delta-ferrite nei getti, e utilizzare gradi stabilizzati (Se/Nb) dove esiste il rischio di sensibilizzazione.
Bonifica: solubilizzazione per sciogliere i carburi (se la geometria e i vincoli della parte lo consentono), molatura/saldatura localizzata con opportuno trattamento termico post saldatura, o la sostituzione con qualità stabilizzate o a basso contenuto di carbonio per la produzione futura.
5. Casi di studio: esempi rappresentativi di risoluzione dei problemi
Caso 1 — Porosità interne ricorrenti nelle giranti delle pompe
Causa ultima: degasaggio inadeguato e tecnica di getto dal fondo turbolento che trascina ossigeno; complesse transizioni da sottile a spesso che causano il ritiro interdendritico.
Soluzione: implementato il degasaggio dell'argon, passato al getto dal basso a bassa turbolenza, gating ridisegnato e aggiunti brividi; HIP applicato su parti critiche del volo.
Caso 2 — Arresti a freddo e errori di funzionamento negli scambiatori di calore a pareti sottili
Causa ultima: temperatura di versamento troppo bassa e ventilazione insufficiente attraverso i nuclei; permeabilità del guscio incoerente.
Soluzione: aumento della temperatura di versamento all'interno della finestra della lega, migliore asciugatura del guscio, canali di ventilazione ottimizzati e porte modificate per garantire il flusso laminare: eliminazioni delle chiusure fredde.
Caso 3 — Colorazione superficiale da zolfo e corrosione locale dopo la fusione
Causa ultima: residui di legante carbonioso e pulizia inadeguata del guscio che portano a macchie e vaiolature localizzate di solfuro.
Soluzione: processo di deparaffinazione e lavaggio del guscio rivisto, introdotto la cottura del guscio a temperatura più elevata per rimuovere le sostanze volatili e effettuato l'elettrolucidatura più la passivazione citrica.
6. Conclusione
La fusione di precisione in acciaio inossidabile consente geometrie complesse, elevata precisione dimensionale ed eccellente qualità superficiale, ma è intrinsecamente sensibile alle variabili metallurgiche e legate al processo.
I difetti di fusione più comuni, come la porosità, restringimento, inclusioni, lo strappo a caldo e i problemi di chimica superficiale non sono eventi casuali; sono il risultato diretto della selezione della lega, pratica di fusione, qualità dello stampo, controllo termico e progettazione delle parti.
La chiave della qualità e dell'affidabilità risiede nel controllo preventivo piuttosto che riparazione post-fusione.
Prime decisioni nella progettazione per la fusione, disposizione dei cancelli e delle alzate, la fabbricazione del guscio e la disciplina della fusione eliminano la maggior parte dei difetti prima che si formino.
Mentre misure correttive come l'HIP, il trattamento termico e la riparazione delle saldature possono recuperare valore nei componenti critici, aumentano i costi e non dovrebbero sostituire un solido controllo del processo.
Insomma, la fusione di precisione dell'acciaio inossidabile diventa una soluzione di produzione prevedibile e di alto valore durante la progettazione ingegneristica, la scienza dei materiali e il controllo dei processi sono allineati.
Prevenzione sistematica, la verifica mirata e il miglioramento continuo sono le basi della qualità e delle prestazioni dei getti a lungo termine.
