Principali cause del rigonfiamento nella pressofusione spiegate

TL;DR

La formazione di bolle nella fusione sotto pressione è un difetto superficiale caratterizzato da rigonfiamenti causati dall'espansione di gas intrappolato appena al di sotto della superficie del metallo. La causa principale è l'intrappolamento di gas o aria dovuto al flusso turbolento del metallo e a una insufficiente ventilazione dello stampo. Altri fattori critici includono temperature eccessive del metallo fuso o dello stampo, applicazione impropria dei lubrificanti per stampi e contaminanti o imperfezioni fisiche all'interno della lega di alluminio stessa.

Il ruolo dell'intrappolamento di gas e aria nella formazione delle bolle

La causa più fondamentale della formazione di bolle nella fusione sotto pressione è il trattenimento di gas all'interno della cavità dello stampo durante l'iniezione del metallo. Le bolle sono essenzialmente una forma specifica di porosità da gas, in cui il gas intrappolato si trova appena sotto la superficie del getto. Mentre il metallo fuso solidifica, questo gas intrappolato è sottoposto a una pressione enorme. Quando il pezzo viene espulso dallo stampo, il supporto esterno viene rimosso e lo strato superficiale ancora morbido del metallo può essere spinto verso l'esterno dal gas in espansione, formando una bolla ben definita.

Questo gas può avere diverse origini. La più comune è l'aria già presente nella cavità dello stampo e nel sistema di alimentazione prima dell'iniezione. Se il metallo fuso viene iniettato troppo velocemente o se il percorso di flusso non è ottimizzato, si crea turbolenza. Questo flusso turbolento e caotico si ripiega su se stesso, intrappolando sacche d'aria che non possono fuoriuscire prima che il metallo solidifichi. Come descritto in un'analisi tecnica di CEX Casting , un pessimo design di canali e sistema di alimentazione è spesso la causa principale, poiché non garantisce un flusso uniforme e laminare del metallo all'interno dello stampo.

Un'insufficiente ventilazione è un altro fattore critico. Le ventole sono canali piccoli progettati per permettere all'aria presente nella cavità di fuoriuscire mentre il metallo fuso la riempie. Se queste ventole sono ostruite, troppo piccole o posizionate in modo inadeguato, l'aria non ha via di fuga e rimane intrappolata all'interno del getto. Il risultato è la porosità e, se vicino alla superficie, la formazione di bolle. L'ottimizzazione del sistema di ventilazione è una fase fondamentale per prevenire questo tipo di difetto.

Per ridurre il rischio di intrappolamento di gas e aria, devono essere adottate diverse buone pratiche:

• Ottimizzare il Design dei Canali e del Sistema di Alimentazione: Utilizzare software di simulazione del flusso nello stampo per progettare un sistema che favorisca un riempimento uniforme e non turbolento della cavità dello stampo.
• Garantire una Ventilazione Adeguata: Progettare e mantenere pulite ed efficienti le ventole e i canali di spurgo, in modo da consentire l'evacuazione completa dell'aria.
• Controllare la Velocità di Iniezione: Regolare il profilo di iniezione, in particolare la fase iniziale di iniezione lenta, per spingere delicatamente l'aria fuori dalla cavità prima dell'inizio della riempimento ad alta velocità.
• Utilizzare assistenza a vuoto: Per componenti critici, l'implementazione di un processo di pressofusione sotto vuoto può rimuovere attivamente l'aria dalla cavità prima dell'iniezione, eliminando praticamente il rischio di difetti da gas intrappolato.

Parametri del processo: come temperatura e lubrificanti causano bolle

Oltre al trattenimento fisico dell'aria, i parametri operativi del processo svolgono un ruolo significativo nella creazione delle condizioni favorevoli alla formazione di bolle. Il controllo della temperatura e l'applicazione del lubrificante sono due delle aree più critiche da gestire. Temperature eccessivamente elevate, sia nel metallo fuso che nello stampo stesso, possono aggravare i problemi legati ai gas. Secondo una panoramica fornita da Sunrise Metal , temperature elevate possono aumentare la pressione di vapore all'interno della lega fusa e causare la degradazione dei lubrificanti dello stampo, con conseguente rilascio di gas che rimane intrappolato.

I lubrificanti per stampi, o agenti distaccanti, sono necessari per evitare che la fusione aderi allo stampo, ma il loro uso improprio è una causa principale di porosità gassosa e bolle. Quando viene applicato troppo lubrificante o viene distribuito in modo irregolare, il liquido in eccesso può raccogliersi nello stampo. A contatto con il metallo fuso caldo, questo lubrificante in eccesso vaporizza istantaneamente, generando un elevato volume di gas che non ha il tempo di fuoriuscire attraverso le vie di sfiato. Come indicato in un rapporto della The Hill & Griffith Company , il lubrificante per lo stantuffo è spesso il singolo fattore principale, specialmente quando si utilizza lubrificante extra per compensare una punta dello stantuffo usurata.

L'umidità è un altro fattore chiave. Qualsiasi umidità residua nello stampo, proveniente da perdite nelle tubazioni dell'acqua, da spruzzatori gocciolanti o persino dall'agente distaccante stesso, si trasforma in vapore al momento dell'iniezione. Questo vapore si comporta come qualsiasi altro gas intrappolato, creando pressione sotto la superficie della fusione che può provocare bolle. Pertanto, mantenere un ambiente dello stampo asciutto è fondamentale.

Per prevenire le bolle causate dai parametri del processo, gli operatori devono attenersi alle seguenti azioni correttive:

1. Mantenere un Rigoroso Controllo della Temperatura: Assicurarsi che sia la lega fusa sia il dado siano mantenuti entro i rispettivi intervalli di temperatura specificati per evitare surriscaldamento e formazione eccessiva di gas.
2. Applicare il Lubrificante con Moderazione e Uniformità: Utilizzare sistemi di spruzzatura automatici per applicare un rivestimento minimo e costante di un agente distaccante di alta qualità e a basso residuo.
3. Consentire Tempo di Evaporazione: Assicurarsi che vi sia un ritardo sufficiente dopo lo spruzzo affinché qualsiasi acqua o solvente presente nel lubrificante possa evaporare completamente prima della chiusura del dado.
4. Eseguire Manutenzione Regolare: Controllare periodicamente la presenza di perdite nelle tubazioni dell'acqua o idrauliche e assicurarsi che gli ugelli dello spruzzo non gocciolino.

Difetti del Materiale e Fisici come Cause Radice

L'ultima categoria di cause riguarda l'integrità del materiale fuso e la presenza di discontinuità fisiche all'interno del flusso metallico. Le bolle possono originare da contaminanti presenti nell'lega stessa. Ad esempio, elementi con punto di ebollizione basso, come il piombo o il cadmio, possono vaporizzarsi durante il processo di fusione o il successivo trattamento termico, creando una pressione interna di gas. Analogamente, le leghe di alluminio possono assorbire idrogeno durante la fusione, il quale tende a fuoriuscire durante la solidificazione, causando porosità e formazione di bolle.

Anche i difetti fisici introdotti durante il processo di riempimento sono estremamente dannosi. Ricerche pubblicate su Engineering Failure Analysis evidenzia che i fiocchi freddi—pezzi parzialmente solidificati di metallo che si staccano dalle pareti del manicotto di iniezione—sono una causa primaria di bolle di grandi dimensioni, specialmente nelle zone vicine al sistema di alimentazione. Questi fiocchi creano discontinuità nella microstruttura del getto. Il gas presente in questi vuoti si espande durante il trattamento termico, formando bolle superficiali significative. Altri difetti simili includono gocce fredde, spruzzi freddi e pellicole di ossido, tutti fattori che alterano l'omogeneità del metallo e agiscono come punti di innesco per la formazione di bolle.

Per prevenire tali difetti legati al materiale è necessario un rigoroso controllo dell'intero processo, dalla manipolazione delle materie prime alla produzione finale. È essenziale collaborare con un fornitore che dimostri un forte impegno per il controllo della qualità. Ad esempio, i produttori di parti automobilistiche ad alte prestazioni spesso si basano su processi certificati come IATF16949 e controllo di qualità interno per garantire l'integrità del materiale dall'inizio alla fine, che è una pratica fondamentale per prevenire tali difetti.

Per comprendere meglio queste cause distinte, la seguente tabella confronta le vesciche derivanti dalla porosità del gas con quelle derivanti da difetti fisici o chimici:

Le soluzioni includono il preriscaldamento e l'essiccazione accurata delle materie prime, l'utilizzo di leghe ad alta purezza e l'applicazione di trattamenti efficaci di disgasaggio con azoto o argon per rimuovere l'idrogeno disciolto prima della fusione.

Domande frequenti sui rigonfiamenti nella pressofusione

1. Qual è la causa principale dei rigonfiamenti nella pressofusione?

La causa principale dei rigonfiamenti è il gas intrappolato, più spesso aria dalla cavità dello stampo, che viene intrappolata a causa del flusso turbolento del metallo fuso e di una ventilazione insufficiente. Questo gas, situato appena sotto la superficie del getto, si espande e spinge verso l'esterno lo strato superficiale morbido del metallo, formando una bolla.

2. Il trattamento termico può causare la formazione di bolle su un pezzo pressofuso?

Sì, il trattamento termico è un fattore comune che provoca la formazione di bolle. Un pezzo può apparire perfetto nello stato di fusione, ma se c'è del gas intrappolato o una discontinuità fisica al di sotto della superficie, le alte temperature del trattamento termico faranno espandere notevolmente il gas, rivelando il difetto sotto forma di bolla superficiale.

3. Come si distingue una bolla dalla porosità generica?

Le bolle sono un difetto a livello superficiale o sub-superficiale, che si presentano come rigonfiamenti sulla superficie del getto. La porosità generica, invece, si riferisce a vuoti che possono trovarsi in qualsiasi punto all'interno del pezzo fuso, anche in profondità. Sebbene entrambi i difetti siano causati da gas intrappolato, le bolle sono specificamente pori abbastanza vicini alla superficie da deformarla.