Fusioni a cera persa: come scegliere l’anima giusta

morganChris Jackson, technical manager presso la divisione Certech di Morgan Advanced Materials (una società globale di ingegneria dei materiali che progetta e produce una vasta gamma di prodotti a elevate specifiche) ha recentemente spiegato le ragioni dell’importanza di una corretta selezione del materiale appropriato dell’anima ceramica per ogni specifica applicazione di fusione, descrivendo le proprietà e gli usi potenziali dei relativi materiali.
Il settore della fusione a cera persa utilizza anime ceramiche in una gamma di applicazioni, grazie alle loro numerose proprietà positive come resistenza, qualità refrattarie e stabilità in condizioni estreme. Le anime permettono la creazione di cavità interne che sono troppo piccole o complesse da ottenere in guscio durante il processo di fusione a cera persa. Tuttavia, per ottenere il migliore risultato possibile, l’anima ceramica usata in ogni applicazione deve essere creata partendo dai materiali più appropriati – per ogni applicazione, un particolare tipo di ceramica offrirà infatti la soluzione migliore.
Anche il tipo di lega che viene fuso è cruciale: le anime ceramiche possono essere utilizzate con un’ampia gamma di leghe, tra cui leghe a base di nichel e cobalto, acciai, alluminio e titanio, ma la corrispondenza fra lega e ceramica deve essere appropriata. Inoltre, la selezione dell’anima ceramica è influenzata anche dalle dimensioni e dalla complessità dell’oggetto da fondere, nonché dall’asportabilità, ovvero dalla possibilità di rimuovere l’anima dopo il processo.
Di seguito, ecco come il dottor Jackson ha descritto alcuni dei materiali per anime ceramiche utilizzati più spesso, con dettagli dei processi di fusione e delle situazioni per i quali ciascuno di essi è più adatto.

Allumina >97%:  Questo materiale è particolarmente adatto per l’uso nella fusione Equiax, un processo nel quale gli stampi ceramici vengono preriscaldati a una temperatura di poco inferiore a quella di solidificazione della lega. Pertanto, quando la lega entra nello stampo, essa raffredda rapidamente e offre una struttura granulare uniforme. I materiali ceramici di allumina >97% possono essere utilizzati con un’ampia selezione di leghe, comprese quelle a base di nichel e cobalto, e la ceramica assume la forma di un singolo materiale con distribuzione grossolana delle dimensioni delle particelle. I materiali ceramici di allumina >97% non sono asportabili con metodi standard, ma presentano elevate proprietà di resistenza e refrattarie.

Zircone >95%: Altra ceramica ideale per l’uso nella fusione Equiax, lo zircone >95% è particolarmente adatto per le leghe contenenti elevati livelli di cobalto. Il cobalto reagisce con le anime che contengono un’elevata proporzione di silice, rendendo le anime di silice inadatte per queste applicazioni. Le ceramiche di zircone >95% hanno una dimensione grossolana delle particelle e sono adatte per la fusione di grosse parti ingombranti. Non sono reattive e possono essere asportate meccanicamente o tramite getti d’acqua.

Zirconia >94%: Le ceramiche di zirconia >94% sono utilizzate soprattutto nella fusione Equiax e offrono eccellenti risultati quando vengono impiegate con leghe di titanio. Hanno dimensioni fini delle particelle e devono essere asportate tramite distruzione, getti di sabbia o getti d’acqua.

Silica fusa 100%: Altra ceramica usata soprattutto nella fusione Equiax, la silica fusa è adatta per l’uso con la maggior parte delle leghe di nichel e alluminio. Le ceramiche di silica fusa sono disponibili con varie distribuzioni delle dimensioni delle particelle, per permettere la produzione di una gamma di geometrie e sono altamente asportabili, anche tramite getto d’acqua. La silica fusa è stabile, debole e frantumabile ed è resistente alla lacerazione a caldo.

Silica fusa 96%, zircone 2%, allumina 2%: Questa combinazione forma un materiale ceramico utilizzato soprattutto nella fusione con solidificazione direzionale e a cristallo singolo, e con la maggior parte delle leghe DS e SX. La combinazione di silica fusa 96%, zircone 2%, allumina 2% è disponibile in una gamma di forme, ma generalmente ha una dimensione fine delle particelle per l’uso nella fusione di piccole parti complesse. Essa è altamente asportabile e per questo è ideale per la fusione di passaggi ciechi e di piccole anime intricate. Questo materiale ceramico presenta una grande stabilità alle alte temperature.

74% silica fusa, 24% zircone, 2% allumina: La miscela altamente versatile di 74% silica fusa, 24% zircone e 2% allumina può essere utilizzata nella fusione Equiax, con solidificazione direzionale e a cristallo singolo e con leghe che hanno preriscaldamenti a elevata temperatura. E’ spesso impiegata con la maggior parte delle leghe a base di nichel, DS e SX. Disponibile con varie distribuzioni delle dimensioni delle particelle, può quindi essere utilizzata nella produzione di una gamma di geometrie e presenta una buona asportabilità. La combinazione di 74% silica fusa, 24% zircone, 2% allumina mostra un’eccellente stabilità alle elevate temperature e può essere utilizzata in un’ampia gamma di dimensioni e forme delle anime.

Processi addizionali: Possono essere applicati ulteriori processi, dopo avere innescato l’anima, per migliorare le prestazioni durante la fusione a cera persa. Tali processi includono l’impregnazione dell’anima per migliorarne la resistenza a temperature ambiente o più elevate; le soluzioni di impregnazione utilizzate più spesso sono la silica colloidale, i polimeri solubili in acqua e l’urea.

Un altro processo di miglioramento aggiunto dopo l’innesco dell’anima e che può contribuire a sua volta a ottimizzare le prestazioni delle anime ceramiche nella fusione a cera persa è il rivestimento della superficie dell’anima per prevenire le reazioni fra anima e materiale fuso o per controllare la crescita dei grani. Si utilizzano spesso rivestimenti di allumina e alluminato di cobalto.
Indipendentemente dal processo utilizzato dopo l’innesco, la maggior parte dei materiali può essere facilmente rimossa dalla fusione, tramite asporto chimico o mediante l’uso di getti d’acqua.
In conclusione, i materiali ceramici sono molto utilizzati nelle applicazioni di fusione a cera persa in un’ampia gamma di settori industriali, grazie alle loro numerose qualità tra le quali la stabilità nei confronti di estremi ambientali, la resistenza e la facilità di asportazione al termine della fusione. I moderni materiali ceramici combinano le elevate prestazioni con la convenienza e sono ideali per i processi di fusione complessi. I moderni processi permettono inoltre l’adattamento di molti di questi materiali per rispondere a specifiche esigenze dei clienti, mentre possono spesso essere utilizzati gli utensili esistenti per produrre anime ceramiche basate su un’ampia varietà di materiali.

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