COME FUNZIONA UNA FONDERIA? ALLA SCOPERTA DEL PROCESSO DI FUSIONE

La fonderia è una delle attività più antiche dell’uomo: i primi oggetti realizzati attraverso il processo di fusione risalgono addirittura al 4000 a.C. Nonostante i millenni di esperienza alle spalle, le operazioni di fusione e colata dei metalli rappresentano ancora oggi un pilastro per le produzioni industriali.

Ma come funziona nella pratica una fonderia? Nelle prossime righe andremo ad osservare ogni passaggio che caratterizza tale attività: dalla progettazione del modello fino alla colata finale.

Perché sono ancora oggi importanti le fonderie?

Il contributo delle fonderie è trasversale a numerosi settori produttivi. Nell’industria automobilistica e aerospaziale, ad esempio, esse producono componenti come pistoni, blocchi motore, turbine e parti strutturali. 

Oltre alla dimensione industriale, le fonderie hanno anche un ruolo nella vita di tutti i giorni: radiatori domestici, chiusini stradali, griglie, arredi urbani, articoli da cucina e pentolame derivano da processi di fusione. 

Inoltre, anche se non è un aspetto particolarmente noto, contribuisco all’economia circolare. Infatti, non producono metalli primari, ma rifondono materiali provenienti da pani metallurgici, leghe secondarie e soprattutto da rottami metallici. In sostanza, la fonderia riduce il consumo di risorse naturali, valorizza gli scarti e rende il sistema produttivo più sostenibile.

Quali materiali si usano in fonderia?

I materiali trattati in fonderia si suddividono sostanzialmente in due grandi categorie:

• leghe ferrose, ovvero ghisa e acciaio. La prima, grazie alla sua colabilità e al costo ridotto, è ampiamente usata per componenti strutturali e meccanici. L’acciaio, più resistente, è destinato a parti sottoposte a forti sollecitazioni;
• leghe non ferrose, come alluminio, bronzo, ottone e rame. Il primo, leggero e versatile, è largamente impiegato nell’automotive e nell’aerospazio. Bronzo e ottone invece trovano applicazioni sia tecniche sia artistiche.

Come avviene il processo di fusione?

Il processo di fusione in fonderia trasforma la materia grezza in un oggetto finito pronto per l’uso. Osserviamo allora le diverse fasi che lo contraddistinguono.

Progettazione del modello

Tutto inizia dalla definizione del modello, cioè la riproduzione in positivo del pezzo da realizzare. Non è un semplice prototipo, ma uno strumento tecnico fondamentale: deve tenere conto delle tolleranze dimensionali, del ritiro del metallo durante la solidificazione e delle esigenze di estrazione dallo stampo.

I materiali usati per i modelli sono diversi: il legno è ancora molto diffuso per la sua lavorabilità, le resine sintetiche garantiscono precisione, mentre i metalli vengono impiegati per produzioni ripetitive dove è richiesta grande resistenza. In ambito di microfusione, si usano invece modelli in cera, destinati a scomparire prima della colata.

Realizzazione dello stampo

Una volta pronto il modello, si procede con la formatura, ossia la costruzione dello stampo, il quale ha il compito di riprodurre in negativo la geometria del pezzo e di contenere il metallo liquido durante la colata.

Esistono due grandi famiglie di stampi:

• transitori, come quelli in sabbia, che vengono distrutti per liberare il getto. Sono i più versatili ed economici, ma devono essere rifatti a ogni colata.
• permanenti, detti anche conchiglie, realizzati in ghisa o acciaio e riutilizzabili molte volte. Offrono una maggiore precisione e finitura, ma comportano costi iniziali più alti.

All’interno dello stampo si predispongono i canali di colata, le materozze (serbatoi di metallo aggiuntivo che compensano i ritiri) e i sistemi di sfiato, che permettono ai gas di fuoriuscire evitando difetti.

Preparazione delle anime

Molti pezzi non sono pieni ma presentano cavità interne, come condotti o fori. Per ottenerli si usano le anime: blocchi di sabbia o materiali refrattari modellati in apposite casse d’anima. Questi elementi vengono inseriti nello stampo e, una volta completata la fusione, vengono rimossi con vibrazione o granigliatura. La loro qualità è determinante, in quanto una rottura o un cedimento durante la colata comprometterebbero l’intero getto.

Fusione del metallo

Parallelamente, in fonderia avviene la rifusione del metallo. Nei forni fusori – che possono essere ad arco elettrico, a induzione, a cupola o rotativi – il materiale solido viene portato a temperature elevate fino a diventare liquido. La scelta del forno dipende dal tipo di lega, dal volume produttivo e dalle esigenze di controllo termico. Questa fase è di vitale importanza: la qualità del metallo fuso, la sua omogeneità e la temperatura influenzano direttamente il risultato finale.

Colata del metallo

Dopo la fusione il metallo viene spillato dal forno in una siviera, un grande contenitore refrattario che lo trasporta fino agli stampi. La colata può avvenire in modi diversi:

• a gravità, semplicemente lasciando scorrere il metallo liquido per caduta nei canali di colata;
• sotto pressione, come nella pressofusione, in cui il metallo viene iniettato nello stampo con pistoni meccanici;
• con tecniche particolari, come la colata centrifuga, dove lo stampo ruota ad alta velocità per distribuire il metallo lungo le pareti.

Raffreddamento e solidificazione

Riempito lo stampo, il metallo inizia a raffreddarsi e a passare dallo stato liquido a quello solido. È in questa fase che si verificano i ritiri: il metallo tende a ridurre il suo volume, creando potenzialmente cavità o difetti. Per compensare, si progettano materozze e sistemi di alimentazione che rilasciano metallo liquido nel punto giusto al momento giusto. La velocità di raffreddamento influisce anche sulla microstruttura del pezzo, determinandone durezza, resistenza e tenacità.

Estrazione del getto

Quando il pezzo si è solidificato, lo stampo viene aperto o distrutto. Nei processi in sabbia si procede alla distaffatura, che consiste nel rompere la forma per liberare il getto. Nelle fusioni a conchiglia, invece, lo stampo metallico viene separato in due parti. In entrambi i casi, le anime vengono rimosse, spesso con sistemi di granigliatura che sgretolano la sabbia.

Operazioni di finitura

Il getto appena estratto non è ancora pronto: presenta residui di sabbia, canali di colata, materozze e bave. Si passa quindi alle fasi di finitura:

• smerigliatura e sbavatura, per eliminare spigoli e irregolarità;
• smaterozzatura, ossia la rimozione delle materozze;
• trattamenti superficiali o termici, che possono migliorare le proprietà meccaniche;
• lavorazioni meccaniche di precisione, qualora il pezzo debba rispettare tolleranze molto strette.

Quali sono le principali tecniche di fusione?

Nel paragrafo precedente abbiamo accennato alla possibilità di ottenere i getti metallici attraverso diverse tecniche di fusione. Quali sono le più comuni?

Fusione in terra

È la tecnica più antica e ancora oggi la più diffusa. Si utilizza una sabbia speciale, detta “terra da fonderia”, che viene compattata attorno a un modello. Una volta estratto il modello, nello spazio rimasto vuoto si fa colare il metallo fuso. Dopo il raffreddamento, lo stampo viene distrutto per liberare il pezzo.

Fusione a conchiglia

La tecnica di fusione prevede stampi metallici permanenti, chiamati appunto conchiglie e realizzati in acciaio o ghisa. La colata avviene per gravità: il metallo liquido scorre nello stampo e vi solidifica. Una volta raffreddato, lo stampo può essere aperto e riutilizzato.

Pressofusione

Nella pressofusione, il metallo liquido non cade semplicemente per gravità nello stampo, ma viene iniettato con forza da una pressa a pistone. Lo stampo, metallico e riutilizzabile, deve resistere a pressioni molto elevate.

Fusione a cera persa (o microfusione)

È un processo raffinato e preciso, derivato da una tecnica antichissima. Si parte da un modello in cera che riproduce esattamente il pezzo da realizzare. Dopodiché, viene rivestito da strati di materiale ceramico fino a formare uno stampo resistente. A questo punto la cera viene sciolta e colata via, lasciando lo spazio per il metallo liquido.

Policast (fusione in polistirene espanso)

Questa tecnica, simile alla microfusione, utilizza modelli in polistirene al posto della cera. Il modello viene immerso nella sabbia e, durante la colata, il metallo fuso vaporizza il polistirene, occupandone lo spazio. È un metodo più rapido rispetto alla microfusione e con meno passaggi, ma la qualità superficiale può risultare inferiore, con rischio di porosità.

Colata centrifuga

Lo stampo, generalmente cilindrico, viene fatto ruotare a grande velocità mentre si versa il metallo liquido. Grazie alla forza centrifuga, il metallo si distribuisce uniformemente lungo le sue pareti formando il pezzo.

Colata continua

La tecnica consiste nel far colare il metallo fuso in una lingottiera raffreddata ad acqua, aperta alla base, da cui il pezzo solidificato esce in continuo, sotto forma di barra, lastra o lingotto.

Gli endoscopi industriali: un antidoto ai difetti di produzione in fonderia

Nonostante la precisione dei processi, la fusione in fonderia può presentare alcuni difetti. I più comuni sono:

• cavità e porosità dovute a un cattivo riempimento della forma o a gas intrappolati;
• ritiri causati dal raffreddamento irregolare;
• inclusioni di sabbia o residui di materozze;
• imperfezioni superficiali legate al contatto tra metallo e stampo.

I controlli effettuati con gli endoscopi industriali nelle varie fasi del processo di fusione contribuiscono a ridurre le imperfezioni dei lavorati finali. Nello specifico le sonde risultano molto utili per:

• rilevamento di porosità, cricche ed inclusioni che si possono formare all’interno del pezzo finale e che non risultano visibili dall’esterno;
• ispezioni degli stampi senza necessità di smontare alcun componente. Il tutto si traduce in controlli più rapidi e minor costi operativi;
• operazioni di manutenzione predittiva su tutte le fasi del processo di fusione. I dati raccolti con gli endoscopi nel tempo permettono di rilevare le anomalie nelle loro fasi iniziali ed evitare che si trasformino in danni più gravi capaci di compromettere tutta la produzione.

Fiber Optic opera da decenni nel campo dell’endoscopia industriale ed è pronta a mettere al servizio della tua azienda tutta la propria esperienza e competenza. I nostri consulenti sono pronti a soddisfare qualunque tua esigenza di ispezione: contattaci per saperne di più!