MICROFUSIONE
MICROFUSIONE (ted. Feingiessverfahren; fr. fonderie de precision, fusion à cire perdue; ingl. precision casting, investment casting)
La microfusione è un particolare procedimento, utilizzato in fonderia, per la fabbricazione di piccoli pezzi, spesso complicati, con tolleranze dimensionali molto ristrette e con superfici ben liscie, fusi in acciai comuni e speciali o in leghe più o meno complesse, destinati a costruzioni meccaniche di precisione (fig. 1).
I metodi di preparazione delle forme attualmente impiegati per la m. sono basati su una moderna rielaborazione, fatta su basi scientifiche e tecniche, dell'antichissimo procedimento della fusione a cera persa. Questo, com'è noto, consiste essenzialmente nel creare, nell'interno di una massa di materiale refrattario di natura adatta, un'impronta precisa, fedele nei più minuti dettagli, di un modello in cera che a lavoro compiuto, non potendosi più estrarre dalla forma, deve essere distrutto "in loco", facendolo sciogliere per riscaldamento. Il vuoto risultante viene successivamente riempito con del metallo liquido, ottenendo così un getto che è l'esatta riproduzione del modello utilizzato e poi distrutto.
La trasformazione di questo millenario processo, ancor oggi utilizzato tale e quale nelle fonderie di getti artistici, in quello modernissimo della m. è avvenuta, per gradi, nel breve corso di questi ultimi decenni. Questo periodo di transizione è dominato prima dall'opera degli odontotecnici e poi degli orafi che, nel procedimento, avevano trovato un eccellente mezzo per realizzare protesi molto precise, leggere e complicate e un sistema di produzione in serie di gioielli semplici e a buon mercato. I meccanici dentisti perfezionarono il sistema, adattando il vecchio processo alle nuove esigenze moderne, con un diligente studio: dei ritiri, dei metodi di colata, dei varî materiali refrattarî, delle cere, ecc. Problemi che divennero, in seguito, molto più complicati quando si adottarono protesi in acciai speciali, o in altre leghe complesse inossidabili, che fondono tutte a temperature più elevate delle leghe, a base di metalli preziosi, fin allora utilizzate. Tali difficoltà furono ben presto risolte, fra l'altro, con l'adozione di materiali refrattarî più resistenti alle alte temperature e colando in forme fortemente preriscaldate per cui si poterono ottenere, anche con queste leghe, getti sottili e complicati, con superfici perfettamente liscie. Tali nuove leghe inossidabili trovarono inoltre importanti applicazioni - sempre sotto forma di pezzi fusi col sistema della cera persa così perfezionato - per usi chirurgici, dando un valido contributo alla cura dei traumi ossei. Tuttavia la produzione di pezzi destinati alle varie protesi rappresentava sempre un lavoro artigianale perché ogni pezzo prodotto era unico e necessariamente diverso dagli altri.
Il problema della produzione di pezzi in serie, che in ultima analisi si riduce alla fabbricazione di un gran numero di modelli in cera tutti perfettamente identici tra loro, venne risolto adottando il procedimento già impiegato nella presso-fusione dei metalli e cioè iniettando la cera liquida in appositi stampi. Infatti i modelli, in questo caso, non possono, per motivi economici, essere plasmati uno per uno, a mano, come si fa di norma nella fonderia artistica o in quella destinata alla fusione dei varî tipi di protesi, ma è indispensabile produrli, in gran numero, con mezzi meccanici rapidi.
In tal modo il procedimento della fusione a cera persa, così perfezionato, aveva ora tutte le possibilità per potersi trasformare in un sistema di produzione industriale per fabbricare getti, anche di altro genere e con altre leghe, da utilizzarsi nelle costruzioni meccaniche fini di precisione, sostituendo vantaggiosamente pezzi ricavati dal pieno con lunghe lavorazioni meccaniche o pezzi complessi ottenuti riunendo insieme parti, lavorate separatamente, in vario modo. Il nuovo processo, e cioè la microfusione, che trovò l'occasione favorevole al suo sviluppo nelle necessità imposte negli S. U. A. dalla seconda guerra mondiale, permetteva ora di realizzare anche particolari difficili di parti di macchine e di risolvere problemi ardui che assillavano da tempo i progettisti meccanici. Durante la guerra, infatti, la m. dovette affrontare la produzione in grandissima serie di pezzí fusi di particolare importanza e difficoltà, e cioè di palette per turbine a gas, sia quelle utilizzate nella costruzione dei motori a reazione per aerei, sia quelle utilizzanti i gas di scarico dei motori a pistone (fig. 2). Queste palette dovevano essere costruite in complesse leghe metalliche altamente refrattarie, che in genere sono difficilmente forgiabili e lavorabili sulle macchine utensili.
Dagli Stati Uniti d'America, dopo il conflitto, la m. si è diffusa ed affermata in molti paesi apportando grandi benefici anche alle industrie di pace, permettendo di produrre grandi quantità di piccoli pezzi, molto complicati, a pareti spesso estremamente sottili, in leghe metalliche svariatissime, a prezzi indiscutibilmente molto vantaggiosi.
La m. permette la produzione di getti che possono essere considerati di alta precisione se confrontati a getti dello stesso tipo, colati coi sistemi più accurati usati normalmente in fonderia, od anche a pezzi ottenuti per stampaggio, ma non può ovviamente competere con altri lavorati con cura sulle macchine utensili. Infatti nel caso di pezzi microfusi più che all'assoluta precisione ci si dovrebbe riferire alla fedeltà di riproduzione di tutti i dettagli, anche di quelli più minuti. Tuttavia le tolleranze dimensionali che si possono ottenere con la m. sono molto ristrette e sono funzione della grandezza, della forma e del rapporto delle varie dimensioni lineari del pezzo. In genere si possono garantire variazioni di ± 0,50% sulle misure richieste e gli spessori possono scendere anche al millimetro in casi partcolarmente favorevoli.
I pezzi microfusi, di norma, come peso possono variare da un grammo ad un massimo di qualche chilo. Utilizzando invece la m. col sistema della formatura a "guscio" sembra che siano stati colati dei getti ben più pesanti con ottimi risultati tecnici ma con dubbî vantaggi economici.
Attualmente la m. può realizzare la produzione dei suoi getti usando due ben distinti procedimenti per la preparazione delle forme e cioè quello dei modelli annegati in un "blocco" di materiale refrattario oppure un particolare sistema, molto più recente, derivato dalla formatura a "guscio" introdotta in fonderia dal Croning.
Parecchie fasi dei due procedimenti di formatura indicati, e cioè quello a "blocco" e quello a "guscio", sono comuni ad entrambi come risulta dagli schemi seguenti dove sono indicate le varie operazioni:
1) Studio e preparazione del modello fondamentale - costruito in genere in acciaio, ottone, bronzo, ecc. - le cui dimensioni sono accuratamente calcolate in base a tutte le contrazioni e le dilatazioni che si potranno verificare: negli stampi; nelle cere; nelle forme di materiale refrattario durante l'essiccazione e la cottura; nel getto stesso durante la solidificazione ed il raffreddamento del metallo, ecc.
2) Fabbricazione dello stampo, per la produzione dei modelli in cera, che in genere è costruito con materiali metallici a basso punto di fusione come le leghe di stagno e bismuto, e che si realizza colando direttamente la lega sul modello fondamentale e con una successiva finitura meccanica (fig. 3).
3) Produzione dei modelli in cera (od anche in materie plastiche oppure in mercurio congelato) ottenuta, in serie, per iniezione sotto pressione negli stampi con apposite macchine automatiche (Tav. f. t., fig. 1)
4) Montaggio dei modelli sui colatoi derivati da un condotto centrale di colata munito d'imtbuto, sempre in cera, in modo da formare un grappolo.
Lo scopo è di fondere il massimo numero di pezzi riuniti in piccolo spazio, in modo da raggiungere un certo peso prestabilito di metallo da colare (fig. 4 e Tav. f. t., fig. 2).
Per la formatura a "blocco" le operazioni successive sono: a) Il grappolo viene rivestito con una miscela fluida di polvere finissima di quarzo mescolata con silicato di etile o di altri prodotti adatti, per immersione (Tav. f. t., fig. 3) o a spruzzo, e quindi accuratamente essiccato. b) Il grappolo così rivestito è introdotto in una specie di staffa, costituita da un involucro di lamiera metallica (Tav. f. t., fig. 4) che è riempito con un impasto semifluido di materiale refrattario costituito, in genere, da "chamotte" della migliore qualità, di granulazione appropriata. Il blocco cosi formato, composto dal grappolo rivestito ed annegato nella massa refrattaria, tenuto insieme dail'involucro, viene essiccato e poi riscaldato in una apposita stufa fino a fusione della cera o del mercurio che vengono così in gran parte recuperati. Se i modelli sono in materia plastica, questi bruciano, senza lasciare residui, nel forno di riscaldo. c) Le staffe col loro contenuto sono quindi introdotte in un forno a tunnel e vengono lentamente riscaldate fino a circa 1000 °C. d) Le staffe a questa temperatura vengono estratte dal forno, montate sul foro di colata di un fornetto elettrico ad arco radiante, nel quale viene fusa e preparata la lega metallica e quindi colate per gravità, ribaltando il forno (Tav. f. t., fig. 5). La preparazione degli acciai e delle varie leghe viene sempre effettuata in piccoli forni elettrici adatti al tipo di staffe che si colano. Il loro funzionamento può essere ad arco indiretto, a resistenza radiante, ad induzione a media frequenza, ecc. e la fusione può avvenire in aria a pressione normale, sotto pressione, oppure in atmosfera di gas inerti ed anche in qualche caso sotto vuoto. Talvolta si ritorre alla colata centrifuga. Dopo colate, le staffe vengono in genere lasciate raffreddare naturalmente. Dopo il raffreddamento il materiale refrattario, costituente il blocco, viene demolito a mezzo di speciali martelli pneumatici o elettrici per poter estrarre il grappolo fuso (Tav. f. t., fig. 6).
Per la formatura a "guscio" si eseguono, invece, le operazioni seguenti: a) Il grappolo, costituito da un certo numero di modelli montati sui colatoi ed uniti al condotto principale di colata, viene immerso in una sospensione semiliquida di uno speciale materiale refrattario, macinato molto fino, in sospensione in liquidi di particolare composizione. b) Il grappolo, col rivestimento ancora umido, viene spolverato con materiale refrattario in polvere fine, ripetendo, dopo essiccazione, più volte le operazioni contemplate in a) e b) finché lo strato accumulato sul grappolo abbia raggiunto un particolare spessore. c) Si essicca quindi con cura il grappolo così rivestito di materiale refrattario, lo si riscalda per distruggere i modelli e lo si cuoce poi ad alta temperatura. d) La formatura a "guscio", monolitica, così ottenuta viene riempita, a caldo, col metallo liquido con i varî sistemi già indicati per la formatura a "blocco". e) Il "guscio" riempito di metallo, dopo raffreddamento, viene frantumato per estrarre il getto ottenuto.
Ottenuti i grappoli fusi in metallo, sia col sistema a "blocco" che con quello a "guscio" le operazioni da effettuarsi in seguito sono le seguenti: a) Separazione, dal grappolo, dei singoli pezzi che lo costituiscono, opera zione effettuata con seghetti o mole da taglio (Tav. f. t., fig. 7). b) Cernita, sbavatura e pulitura dei getti. c) Eventuale trattamento termico per ottenere le migliori caratteristiche fisiche e meccaniche dalle leghe con cui sono stati colati. Questi trattamenti termici vanno effettuati, con particolari cure, in fornetti a bagni di sale o in forni ad atmosfera controllata, ecc. per evitare di ossidare o decarburare le superfici, a danno anche delle tolleranze dimensionali dei pezzi. d) Operazioni di finitura superficiale con apposite sabbiatrici ed eventuali bagni di decapaggio, ecc. e) Controllo finale, oliatura e imballo.
La m., in conclusione, è un procedimento di fonderia che con l'andare del tempo potrà svilupparsi e perfezionarsi in modo tale da apportare vantaggi sempre più grandi a tutte le industrie meccaniche fini.
Bibl.: La fonderia di precisione col metodo della cera persa, in Alluminio, novembre e dicembre 1947; V. di Sambuy, La tecnica della microfusione e le sue applicazioni nelle costruzioni meccaniche (1° Convegno di Fonderia Assofond., 1948); E. L. Cady, Precision investment casting, New York 1948; Precision investment casting - lost wax process, estratto da The Iron Age, 1951; European investment Casters' Association, in Proceedings of the conference, Essen 1959; Robert H. Hermann, How to design and buy investment castings, Chicago 1959; Precision metal molding, Rivista mensile della The Industrial Publishing Co. americana.