I metalli ferrosi sono metalli di colore più scuro, che comprendono principalmente ferro, acciaio e ghisa. Questi metalli sono per lo più di colore bianco-argenteo o grigio scuro, possiedono una buona conduttività elettrica e termica e una buona duttilità, e sono ampiamente utilizzati nell'industria manifatturiera e nell'edilizia. I metalli non ferrosi sono metalli diversi da quelli ferrosi, come rame, alluminio, zinco, piombo, nichel e stagno. Questi metalli presentano in genere una varietà di colori, possiedono un'elevata resistenza alla corrosione e una buona conduttività elettrica e termica, e sono ampiamente utilizzati nell'industria, nell'elettronica e nel settore chimico.
1. Il ferro è fondamentale per i metalli ferrosi
I metalli ferrosi contengono ferro, mentre quelli non ferrosi ne sono privi. La presenza di ferro conferisce al metallo una maggiore conduttività elettrica. Il metallo possiede inoltre una buona resistenza alla trazione, che gli consente di sopportare sollecitazioni elevate senza rompersi. Grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, alla resistenza e alla durata, i metalli ferrosi possono essere utilizzati per la produzione di componenti destinati ad applicazioni elettriche e soggette a forti sollecitazioni.
È importante sottolineare che molti metalli ferrosi sono soggetti a corrosione a causa del loro contenuto di ferro. In applicazioni che prevedono grandi quantità di acqua, umidità, solventi, oli e altre sostanze corrosive, le parti possono usurarsi e alla fine rompersi. Per risolvere questo problema, durante il processo di fusione dei metalli ferrosi è possibile aggiungere additivi come il cromo per migliorarne la resistenza alla corrosione. Migliorando le proprietà di queste leghe, i produttori possono sviluppare fusioni di precisione adatto a tali ambienti difficili.
Tra i metalli ferrosi figurano l'acciaio, la ghisa, l'acciaio inossidabile e l'acciaio al carbonio. In genere, i metalli ferrosi sono meno costosi dei metalli non ferrosi poiché trovano ampio impiego in diversi settori, tra cui quello dei componenti aerospaziali.
2. Resistenza alla corrosione dei metalli non ferrosi
Molti metalli non ferrosi non sono soggetti a corrosione o ruggine grazie alla loro assenza di ferro. Questi metalli sono altamente duttili e leggeri, ma presentano una resistenza alla trazione inferiore. Possono inoltre essere magnetici o non magnetici, offrendo così una gamma più ampia di opzioni a seconda dell'applicazione.
Il vantaggio principale dei metalli non ferrosi risiede nella loro conduttività termica ed elettrica. Quando i metalli possiedono queste proprietà, la corrente e il calore possono attraversarli facilmente con una resistenza minima. Per i pezzi fusi utilizzati nei sistemi elettrici o elettronici, i metalli conduttivi consentono il passaggio della corrente assorbendo e dissipando il calore generato dalla corrente stessa. Questa proprietà impedisce il surriscaldamento del sistema, evitando così il deterioramento delle prestazioni e i malfunzionamenti.
3. Principali differenze nei processi di microfusione
Il processo principale di colata di investimento è “realizzazione del modello in cera → rivestimento del guscio → deceratura → cottura → colata → pulizia”. La scelta dei parametri e i requisiti operativi per ciascuna fase differiscono in modo significativo tra i metalli ferrosi e quelli non ferrosi, come illustrato di seguito:
3.1. Realizzazione di modelli in cera e moduli: requisiti di resistenza diversi
Il modello in cera è il “prototipo” in colata di investimento, e la sua resistenza deve essere adeguata ai successivi requisiti di rivestimento e manipolazione del guscio. A causa delle differenze di peso e dimensioni dei getti dopo la colata, i requisiti relativi ai modelli in cera variano a seconda dei due tipi di metallo:
- Metalli ferrosi: Pezzi fusi a cera persa sono in genere più spessi (≥3 mm) e più pesanti (da alcuni chilogrammi a decine di chilogrammi). Pertanto, il modello in cera richiede una maggiore resistenza a temperatura ambiente e stabilità alle alte temperature (per evitare deformazioni durante il rivestimento del guscio). Spesso viene utilizzata una cera composita a base di “paraffina-acido stearico” (con una percentuale maggiore di acido stearico, che garantisce una maggiore durezza), oppure vengono aggiunti componenti rinforzanti come il polietilene.
- Metalli non ferrosi: i pezzi realizzati con la tecnica della microfusione sono per lo più componenti a pareti sottili (meno di 1 mm, come i componenti in lega di alluminio per il settore aerospaziale) e leggeri. I modelli in cera privilegiano la fluidità e la precisione di stampaggio (riproducendo dettagli complessi, come ingranaggi di precisione e motivi decorativi). Spesso si utilizza cera di paraffina pura o cere composite con un basso contenuto di acido stearico. Alcuni pezzi di precisione utilizzano addirittura “cera a bassa temperatura” (punto di fusione 40-60 ℃, facile da decerare e che produce una finitura fine).
3.2. Preparazione del rivestimento: differenze nei materiali refrattari e negli strati di rivestimento
Il guscio è lo “stampo” per colata di investimento, e deve resistere all'erosione ad alta temperatura e alla corrosione chimica del metallo fuso. Pertanto, la scelta dei materiali refrattari e il numero di strati di rivestimento devono essere adeguati al punto di fusione del metallo:
| Fasi del processo:
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Metalli ferrosi (prendendo ad esempio l'acciaio inossidabile):
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Metalli non ferrosi (prendendo come esempio le leghe di alluminio):
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| Materiali refrattari
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Strato interno (a diretto contatto con il metallo fuso): materiali ad alto punto di fusione, quali il corindone (Al₂O₃) e la mullite (3Al₂O₃・2SiO₂) (resistenti a temperature superiori a 1600 °C e alla corrosione da parte dell'acciaio fuso); Strato esterno: sabbia silicea a basso costo + sol di silice (che conferisce resistenza strutturale).
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Strato interno: materiali con punto di fusione da basso a medio, come la polvere di quarzo e la polvere di zircone (resistenti a temperature inferiori a 1000 °C, a basso costo); Strato esterno: sabbia di quarzo + vetro solubile (buona fluidità, facile da applicare). La lega di titanio è speciale: è richiesto corindone ad alta purezza (per evitare reazioni tra titanio e silicio). |
| Numero di strati di rivestimento
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6-10 strati (a causa dell'elevata temperatura e dell'impatto del metallo fuso, è necessario uno strato esterno spesso per evitare la formazione di crepe)
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3-6 strati (bassa temperatura del metallo fuso; i pezzi a pareti sottili richiedono un guscio sottile per garantire la dissipazione del calore ed evitare cavità da ritiro nel colata di investimento)
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| Essiccazione della muffa
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Tempi di essiccazione prolungati (8-12 ore per strato), che richiedono un rigoroso controllo dell'umidità (gli involucri in sol di silice sono sensibili all'umidità, per evitare una riduzione della resistenza)
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Grazie al breve tempo di essiccazione (4-8 ore per strato), i gusci in vetro solubile possono asciugarsi all'aria, garantendo una maggiore efficienza.
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3.3. Deparaffinatura e cottura: differenze nel controllo della temperatura
La deparaffinazione rimuove il modello in cera per formare la cavità, mentre la cottura elimina ulteriormente la cera residua e migliora la resistenza del guscio. Le temperature per entrambe le fasi devono essere adeguate al punto di fusione del modello in cera e alle caratteristiche del metallo.
Metodi di deparaffinazione:
- Metalli ferrosi: si ricorre prevalentemente alla “deceratura a vapore” (vapore saturo a 100-120 °C, che scioglie rapidamente il modello in cera ed è adatto a modelli in cera ad alta resistenza); per alcuni pezzi di grandi dimensioni si utilizza la “deceratura ad acqua calda” (80-90 °C, a basso costo).
- Metalli non ferrosi: la cera a bassa temperatura viene decerata con acqua calda (60-80 °C per evitare l'ammorbidimento e la deformazione del modello in cera); la cera ad alta temperatura (come quella per le leghe di rame) viene invece decerata con il vapore.
Temperatura di cottura:
- Metalli ferrosi: 800-1100 °C (per bruciare completamente la cera residua, garantendo un guscio sinterizzato denso e resistenza all'erosione da parte dell'acciaio fuso), tempo di cottura 2-4 ore.
- Metalli non ferrosi: leghe di alluminio/leghe di magnesio: 400-600 °C (per evitare un'eccessiva sinterizzazione del guscio, che potrebbe ridurre la permeabilità e causare porosità nel getto); leghe di rame: 600-800 °C; Leghe di titanio: 1000-1200 ℃ (richiede una cottura sotto alto vuoto per prevenire l'ossidazione).
3.4. Processo di colata: controllo della temperatura, dell'atmosfera e della scorrevolezza
Colata a iniezione è la fase fondamentale dell'iniezione del metallo fuso nello stampo. A causa delle differenze nel punto di fusione e nelle proprietà ossidanti, i parametri della fusione a cera persa variano notevolmente tra i due tipi di metalli:
Temperatura di fusione:
- Metalli ferrosi: significativamente superiore al loro punto di fusione (ad esempio, punto di fusione dell'acciaio al carbonio 1450 °C, temperatura di fusione 1550-1650 °C). È necessaria una maggiore fluidità per riempire i getti a pareti spesse ed evitare la formazione di difetti di saldatura a freddo.
- Metalli non ferrosi: in prossimità del loro punto di fusione (ad es., punto di fusione delle leghe di alluminio 660 °C, temperatura di fusione 700-750 °C). Temperature eccessive possono facilmente causare ossidazione e cavità da ritiro nel getto. Le leghe di titanio sono particolari (punto di fusione 1668 ℃), richiedono una fusione ad alta temperatura a 1800-1900 ℃ e necessitano di protezione sotto vuoto o con gas inerte (il titanio reagisce prontamente con O e N alle alte temperature).
Atmosfera sul set:
- Metalli ferrosi: possono essere fusi all'aria aperta (l'ossidazione dell'acciaio e della ghisa può essere rimossa mediante una successiva pulizia e ha un impatto minimo sui pezzi con pareti spesse).
- Metalli non ferrosi: le leghe di alluminio e magnesio richiedono un trattamento di degassificazione (si utilizzano argon o esacloroetano per rimuovere l'idrogeno dal metallo fuso prima della colata, al fine di prevenire la porosità); le leghe di rame possono essere colate all'aria, ma devono essere ricoperte di fondente per evitare l'ossidazione; le leghe di titanio devono essere colata sotto vuoto (vuoto assoluto < 10⁻³ Pa).
Metodi di colata:
- Metalli ferrosi: per i pezzi di grandi dimensioni si ricorre alla “colata dal basso” (il metallo fuso riempie lo stampo in modo uniforme, evitando l'erosione della parete dello stampo); per i pezzi di piccole dimensioni si ricorre alla “colata dall'alto” (per aumentare la velocità di riempimento).
- Metalli non ferrosi: per i componenti a pareti sottili si ricorre alla “colata a pressione” (come la microfusione a bassa pressione, che spinge il metallo fuso a riempire la cavità dello stampo, riducendo i difetti); per i componenti di precisione si ricorre alla “colata sotto vuoto” (per aumentare la densità).
3.5. Post-trattamento: differenze tra pulizia e trattamento termico
Il post-trattamento determina le prestazioni e l'aspetto finali del pezzo fuso. A causa delle differenze nelle caratteristiche superficiali e nei requisiti prestazionali, i processi per i due tipi di metalli differiscono in modo significativo:
Pulizia delle superfici:
- Metalli ferrosi: data l'elevata durezza del guscio dello stampo, i residui devono essere rimossi mediante sabbiatura (con sabbia di corindone) o granigliatura (con graniglia d'acciaio); la scaglia di ossido viene rimossa mediante decapaggio (con acido cloridrico + acido nitrico).
- Metalli non ferrosi: Il guscio dello stampo si stacca facilmente; può essere rimosso mediante sabbiatura (sabbia di quarzo, evitando di danneggiare la superficie della fusione a cera persa) o decapaggio chimico (ad es. sciogliendo il quarzo in una soluzione di NaOH per le leghe di alluminio); le leghe di rame possono essere decapate (acido solforico + perossido di idrogeno).
Trattamento termico:
- Metalli ferrosi: richiedono una normalizzazione + tempra (per regolare la durezza ed eliminare le tensioni interne); l'acciaio inossidabile richiede un trattamento di solubilizzazione (per migliorare la resistenza alla corrosione).
- Metalli non ferrosi: le leghe di alluminio richiedono un trattamento di invecchiamento (per aumentarne la resistenza); le leghe di magnesio richiedono un trattamento di ricottura (per eliminare le tensioni e prevenire deformazioni); le leghe di rame richiedono un trattamento di tempra e rinvenimento (per aumentarne la tenacità).
4. Tendenze di sviluppo
Metalli ferrosi: sviluppo di leghe a basso ritiro (ad esempio, acciaio ad alto tenore di nichel) in combinazione con la tecnologia di fusione a cera persa mediante stampa 3D.
Metalli non ferrosi: la diffusione dei processi di fusione sotto vuoto per le leghe di magnesio e titanio sta favorendo lo sviluppo di soluzioni leggere nel settore aerospaziale.
Grazie a un'accurata selezione dei materiali e all'ottimizzazione dei processi, la microfusione è in grado di soddisfare le esigenze di diversi settori, dalla microgioielleria alle grandi pale di turbina.
