Fusione di ghisa è un processo di formatura dei metalli in cui la ghisa fusa viene colata in stampi e lasciata solidificare, producendo componenti di forme e dimensioni specifiche. Ghisa, una lega ferro-carbonio con contenuto di carbonio tipicamente compreso tra 2,0% e 4,0% , è ampiamente utilizzato grazie alla sua eccellente fluidità in forma fusa, facilità di fusione di geometrie complesse, elevata resistenza all'usura e convenienza per la produzione su media e larga scala. L'alto contenuto di carbonio abbassa il punto di fusione, consentendo la fusione a temperature intorno 1.150–1.200°C , e contribuisce alla formazione di strutture di grafite che influenzano le proprietà meccaniche.
La ghisa non è un unico materiale ma a famiglia di leghe , ognuno con caratteristiche uniche:
La versatilità delle leghe di ghisa rende la fusione una soluzione adatta per i settori automobilistico, edile, dei macchinari e dell'energia.
Il primo passo nella fusione della ghisa è progettazione del modello . I modelli sono repliche del componente finale, leggermente sovradimensionati per tenere conto del restringimento durante il raffreddamento. I materiali per i modelli includono legno, metallo o plastica , a seconda del volume di colata e dei requisiti di precisione. I componenti complessi possono richiedere inserti centrali per formare sezioni cave.
Una volta che il modello è pronto, a muffa viene creato impacchettando sabbia, sabbia legata con resina o altri materiali di stampaggio attorno al modello. Dentro colata in sabbia , la cavità dello stampo replica la forma desiderata del pezzo finale. Occorre prestare attenzione angoli di sformo , raccordi e finitura superficiale per facilitare la rimozione dello stampo e migliorare la qualità della fusione. Sistemi di gate sono inoltre progettati in questa fase per controllare il flusso di ferro fuso e ridurre al minimo le turbolenze, garantendo un riempimento uniforme e riducendo difetti come l'intrappolamento di gas o le chiusure fredde.
La corretta preparazione dello stampo è fondamentale per ottenere precisione dimensionale, qualità della superficie e proprietà meccaniche. Inoltre, le fonderie moderne spesso utilizzano strumenti di progettazione assistita da computer (CAD) e di simulazione per ottimizzare la geometria dello stampo, i punti di iniezione e il posizionamento dei montanti, migliorando la resa e riducendo al minimo gli scarti.
Una volta preparato lo stampo, il passo successivo è fusione della ghisa . La ghisa può essere fusa cubilotti, forni elettrici ad induzione o forni elettrici ad arco . La scelta del forno dipende dal volume di produzione, dall’efficienza energetica e dai requisiti di controllo della lega. Le temperature di fusione tipiche variano da da 1.150°C a 1.200°C , garantendo un'adeguata fluidità per il riempimento di stampi complessi.
Durante la fusione, controllo preciso di composizione chimica è essenziale. Elementi di lega come silicio, manganese, nichel e cromo vengono aggiunti per regolare le proprietà meccaniche, il comportamento di solidificazione e la formazione di grafite. Lo scioglimento è spesso sottoposto degasaggio e desolforazione trattamenti per ridurre le inclusioni e prevenire la porosità nel getto finale. Nelle fonderie moderne, i sistemi di monitoraggio in tempo reale assicurano che la fusione mantenga la temperatura e la composizione desiderate, garantendo una qualità costante per la produzione di massa.
Dopo la fusione, la ghisa fusa viene accuratamente versata nello stampo attraverso il sistema di gate . Il versamento corretto è fondamentale da evitare turbolenza, intrappolamento d'aria e riempimento irregolare , che può portare a difetti come cavità da ritiro, chiusure fredde o soffiature. Il metallo fuso scorre dal canale di colata alle guide e ai cancelli, riempiendo gradualmente la cavità per consentire al calore di dissiparsi in modo uniforme.
Il velocità di colata e la temperatura sono controllate per mantenere un fronte fluido stabile. Le fonderie moderne utilizzano spesso sistemi di colata automatizzati con controllo preciso del flusso per migliorare la sicurezza e la ripetibilità. La colata viene tipicamente eseguita con dispositivi di protezione e protocolli di sicurezza a causa dell'elevata temperatura della ghisa fusa che può raggiungere 1.200°C .
Una volta riempito lo stampo, la ghisa comincia a formarsi solidificare . La velocità di raffreddamento influenza in modo significativo il microstruttura e proprietà meccaniche del casting. Un raffreddamento più lento generalmente favorisce la formazione di scaglie di grafite grossolana nella ghisa grigia, migliorando lo smorzamento delle vibrazioni, mentre un raffreddamento più rapido può produrre strutture di grafite fine o ferro bianco, migliorando la durezza e la resistenza all'usura.
Alzate oppure gli alimentatori vengono utilizzati per compensare il ritiro man mano che il metallo si solidifica. Nelle fusioni complesse, il software di simulazione viene spesso utilizzato per prevedere i modelli di raffreddamento, identificare i punti caldi e ottimizzare il posizionamento delle colonne montanti per prevenire porosità e difetti strutturali. Il raffreddamento uniforme garantisce proprietà meccaniche costanti in tutto il componente e riduce le sollecitazioni interne che potrebbero portare alla rottura.
Dopo la solidificazione, lo stampo viene rotto in un processo chiamato shakeout , e il casting è separato. Sabbia, nuclei e altri materiali dello stampo vengono rimossi. Qualsiasi eccesso di metallo da guide, cancelli o montanti viene tagliato e la fusione viene pulita utilizzando metodi come granigliatura, molatura o pulizia chimica .
Infine, spesso vengono sottoposti a getti lavorazione meccanica, trattamento termico o finitura superficiale per ottenere dimensioni, tolleranze e qualità della superficie precise. Questo passaggio è fondamentale per i componenti funzionali che richiedono un'elevata precisione dimensionale, come blocchi motore, parti di macchinari o alloggiamenti di pompe.
Il following table summarizes different cast iron types and their properties:
| Tipo in ghisa | Forma di grafite | Proprietà chiave | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|---|
| Ghisa Grigia | Fiocco | Buon smorzamento, lavorabile, resistenza moderata | Blocchi motore, basi di macchinari, tubi |
| Ghisa duttile | Sferico | Elevata resistenza alla trazione, duttile, resistente agli urti | Tubi in pressione, componenti automobilistici |
| Ghisa Bianca | Carburo/Duro | Estremamente duro, resistente all'usura, fragile | Liner, sfere abrasive, superfici resistenti all'usura |
| Ghisa malleabile | Trattato termicamente | Migliore duttilità e tenacità | Raccordi, ferramenta, staffe |
D1: Perché per alcuni componenti è preferibile la ghisa all'acciaio?
R1: La ghisa offre uno smorzamento delle vibrazioni, una resistenza all'usura superiori e un costo inferiore per parti grandi o complesse, rendendola ideale laddove queste proprietà hanno la priorità.
Q2: Quali sono i difetti comuni nella fusione della ghisa?
A2: I difetti includono cavità da ritiro, porosità, chiusure fredde e crepe. Il corretto collegamento, la progettazione del montante e il controllo del raffreddamento aiutano a ridurre al minimo questi problemi.
D3: È possibile utilizzare la ghisa per componenti a pareti sottili?
R3: Sì, ma è necessario un attento controllo della velocità di raffreddamento e della progettazione dello stampo, poiché la ghisa è più fragile dell'acciaio.
D4: Quali settori fanno molto affidamento sulla fusione di ghisa?
A4: Settore automobilistico, macchinari pesanti, attrezzature edili, produzione di pompe e valvole e industria energetica.
