Alimentazione e solidificazione: la chiave per eliminare la porosità

Quando si ricorre al processo di microfusione, è importante comprendere tutti i fattori che contribuiscono alla realizzazione di un componente di successo. Uno dei primi passi per evitare il cedimento del componente consiste nel garantire la necessaria integrità del componente prima della colata. La microfusione è uno dei pochi processi produttivi in grado di dimostrare preventivamente l'idoneità del componente. 

Sistemi di alimentazione

Nella progettazione di un componente microfuso, occorre considerare la posizione e le dimensioni dell'attacco. L'attacco è una piccola apertura che consente al metallo fuso di fluire liberamente nella cavità e può essere considerato il punto di collegamento tra la fonte di alimentazione, ovvero il canale di colata, e il componente. Idealmente, l'attacco è situato nella sezione più spessa e pesante del getto, consentendo al metallo di fluire continuamente e riempire interamente il componente prima della solidificazione.

Come il metallo solidifica durante la colata

La solidificazione del metallo è un fattore critico per comprendere l'alimentazione. Quando l'acciaio fuso si raffredda dalla temperatura iniziale di colata di circa 3000°F alla temperatura di solidificazione di circa 2500°F, subisce un ritiro volumetrico. Questo ritiro continua durante la solidificazione del metallo e nuovamente durante il raffreddamento fino alla temperatura ambiente, a causa della dilatazione termica.

Per esempio, un cubo di 1" x 1" x 1", una volta riempito di acciaio fuso, si ritirerà fino a circa 0.96" x 0.96" x 0.96" a temperatura ambiente. Questa variazione volumetrica richiede un'attenta valutazione della geometria del componente, nonché della posizione e delle dimensioni dell'attacco. Una progettazione adeguata assicura che il getto sia continuamente alimentato con metallo liquido per compensare il ritiro durante la solidificazione.

Cosa rende un getto di successo?

Posizione e dimensioni dell'attacco

Dopo aver compreso i principi della solidificazione del metallo, è possibile iniziare a definire le dimensioni e la posizione dell'attacco. Se i dettagli dell'attacco non vengono presi in considerazione, l'attacco potrebbe solidificare prima che il metallo abbia la possibilità di riempire il getto e compensare il volume perso. Ciò potrebbe creare grandi cavità non completamente riempite all'interno del componente, note anche come porosità interna. La porosità indica il grado di compattezza raggiunto, ovvero la presenza di cavità o fori all'interno del componente. Se un componente non è progettato con un sistema di alimentazione accurato che tenga conto della sua funzione, ciò potrebbe causarne il cedimento.

Progettazione del componente

L'attacco non è l'unico fattore determinante per eliminare la porosità. La geometria del componente può influenzare la solidificazione direzionale del metallo. Il progetto deve prevedere gradienti termici sufficientemente ripidi da mantenere liberi i percorsi di alimentazione dal canale di colata al componente. Poiché i componenti non solidificano tutti contemporaneamente e si raffreddano dall'esterno verso l'interno, un progetto di qualità consentirà al metallo di raffreddarsi dapprima allontanandosi dall'attacco. La forma di un ghiacciolo è l'esempio ideale di una colata perfetta: la punta congela per prima e il resto del ghiacciolo congela dalle sezioni più piccole fino alla sezione più spessa, ovvero la fonte d'acqua.

Nei progetti che presentano porosità iniziale, l'aggiunta di elementi quali nervature di alimentazione può eliminare le cavità indesiderate. La progettazione del componente può inoltre essere migliorata con modifiche strutturali, come la rastremazione dei piani inferiori, per ridurre la porosità. In alcuni casi, tuttavia, le geometrie dei componenti non possono essere modificate. È possibile sfruttare il calore radiante, progettando l'attacco con bracci non essenziali che mantengono le pareti sottili sufficientemente calde da alimentare il componente, comprese le piastre terminali, durante la solidificazione.

Lavorando a stretto contatto con i clienti, gli ingegneri di progettazione Signicast sono in grado di comprendere meglio la funzione del componente e ottimizzarne la geometria per soddisfare i requisiti dell'applicazione.

Selezione del materiale di colata

Oltre alle considerazioni progettuali, la scelta del materiale influisce direttamente sulla porosità all'interno di un componente e sulla solidificazione di un getto. Ogni elemento di una lega ha una diversa temperatura di solidificazione; di conseguenza, una lega come l'acciaio inossidabile 17-4 presenta un intervallo di temperatura più ampio nel passaggio dallo stato liquido a quello solido, a causa della quantità di elementi presenti nella lega. L'ampio intervallo di temperatura ostacola il flusso, rendendola meno tollerante rispetto a un acciaio a basso tenore di carbonio. Conoscendo i requisiti del materiale nelle fasi iniziali del progetto, gli ingegneri di progettazione hanno maggiori possibilità di prevedere il successo del componente e limitare la porosità prima di passare alla fase di realizzazione degli stampi.

Prima di avviare la produzione a regime con un progetto di componente, è importante individuare i potenziali problemi di porosità. In Signicast utilizziamo software di solidificazione e flusso per determinare l'efficacia delle posizioni degli attacchi e prevedere la porosità dei getti, al fine di validare il progetto. I nostri ingegneri di progettazione possono fornire utili suggerimenti progettuali che consentono di ottenere componenti di successo senza ritardare i tempi di immissione sul mercato.