La porosità nella pressofusione dell’alluminio è causata dall’intrappolamento di gas, dall’idrogeno, dal ritiro, da uno sfiato inadeguato, da problemi di progettazione dello stampo, da parametri instabili e da uno scarso controllo del metallo fuso. Poiché questi fattori sono spesso correlati, la riduzione della porosità richiede un controllo completo del processo, che comprenda la progettazione dei pezzi e degli stampi, lo sfiato, la qualità dell’alluminio fuso, le impostazioni di iniezione, la temperatura dello stampo, la lubrificazione, la manutenzione e l’ispezione. Un efficace controllo della porosità contribuisce a produrre pezzi più resistenti, una migliore tenuta, una qualità di lavorazione migliorata, tassi di scarto più bassi e una produzione in serie più stabile.
Cosa si intende per porosità nella pressofusione dell’alluminio?
La porosità si riferisce a piccole cavità interne o superficiali che si formano durante il processo di pressofusione. Queste cavità sono solitamente causate da gas intrappolato, aria, ritiro durante la solidificazione o flusso improprio del metallo.
Nel processo di pressofusione dell’alluminio, la cavità di uno stampo in acciaio viene riempita con alluminio fuso ad alta velocità e sotto alta pressione. Poiché il processo è rapido, aria e gas possono rimanere intrappolati all’interno del metallo fuso. Allo stesso tempo, l’alluminio si restringe mentre si raffredda e si solidifica. Se l’alimentazione e la solidificazione non sono ben controllate, possono formarsi cavità da ritiro.
Esistono due categorie principali di porosità: la porosità da gas e la porosità da ritiro.
| Tipo di porosità | Causa principale | Aspetto tipico | Rischio tipico |
| Porosità da gas | Aria intrappolata, idrogeno gassoso, ventilazione insufficiente | Fori rotondi o lisci | Perdite, struttura debole, lavorazione inadeguata |
| Porosità da ritiro | Ritiro del metallo durante la solidificazione | Cavità irregolari | Resistenza ridotta, rischio di fessurazione |
| Porosità superficiale | Gas o ritiro in prossimità della superficie | Piccole cavità o fori | Rivestimento, placcatura, verniciatura o anodizzazione di scarsa qualità |
| Porosità esposta alla lavorazione | Pori interni aperti durante la lavorazione | Fori che compaiono dopo la lavorazione CNC | Scarti, perdite, rifiuto da parte del cliente |
Comprendere il tipo di porosità è il primo passo verso la risoluzione del problema. La porosità da gas richiede solitamente una migliore ventilazione, supporto del vuoto, trattamento del fuso e controllo dell’iniezione. La porosità da ritiro richiede solitamente una migliore progettazione del pezzo, del punto di iniezione, del controllo del raffreddamento e della gestione della solidificazione.
Perché la porosità è importante
Alcuni piccoli pori potrebbero non influire su semplici pezzi decorativi, ma per i pezzi funzionali in pressofusione di alluminio, la porosità può diventare un problema serio.
La porosità può ridurre la resistenza meccanica poiché i vuoti interrompono la struttura metallica. Può inoltre creare percorsi di perdita in componenti utilizzati per alloggiamenti, corpi pompa, corpi valvola, coperchi a tenuta d’aria e componenti per il controllo dei fluidi. Durante la lavorazione CNC, la porosità nascosta può venire alla luce, causando difetti visibili sulle superfici di tenuta, sui fori filettati o nelle aree di precisione.
La porosità può influire anche sul trattamento superficiale. I componenti con pori superficiali possono presentare bolle, cavità, macchie o difetti di rivestimento dopo la verniciatura, la verniciatura a polvere, la placcatura o l’anodizzazione.
Per le applicazioni ad alte prestazioni, i clienti spesso stabiliscono requisiti rigorosi per quanto riguarda il livello di porosità, l’ispezione a raggi X, le prove di pressione o la qualità della superficie lavorata. Pertanto, il controllo della porosità dovrebbe essere preso in considerazione fin dall’inizio della progettazione del prodotto, non solo dopo la comparsa dei difetti di fusione.
Principali cause della porosità nella pressofusione dell’alluminio
La porosità è solitamente causata da una combinazione di diversi fattori. Un componente può presentare porosità a causa di uno sfiato inadeguato dello stampo, di una velocità di iniezione impropria, di un’elevata temperatura del metallo fuso, di alluminio contaminato, di uno spessore delle pareti inadeguato o di uno squilibrio nel raffreddamento.
1. Aria intrappolata durante il riempimento
La pressofusione ad alta pressione riempie la cavità dello stampo molto rapidamente. Se il flusso del metallo è turbolento, l’aria può rimanere intrappolata all’interno dell’alluminio fuso. Quando il metallo si solidifica, l’aria intrappolata si trasforma in pori interni.
Questo problema è comune quando il design del canale di colata è inadeguato, il percorso di riempimento è troppo complesso o l’aria non riesce a fuoriuscire attraverso gli sfiati e gli sfioratori.
2. Idrogeno gassoso nell’alluminio fuso
L’alluminio può assorbire idrogeno quando è fuso. L’umidità proveniente dagli utensili, dall’atmosfera del forno, dai lubrificanti o dal materiale riciclato può aumentare il contenuto di idrogeno. Man mano che l’alluminio si raffredda, la solubilità dell’idrogeno diminuisce e all’interno del pezzo fuso possono formarsi bolle di gas.
3. Progettazione inadeguata di sfiati e sfioratori
L’aria rimarrà intrappolata nella cavità se lo stampo ne impedisce la fuoriuscita. Una ventilazione insufficiente, sfiati ostruiti, aree di sfioro troppo piccole o una progettazione inadeguata del sistema di aspirazione possono tutti aumentare la porosità.
4. Restringimento durante la solidificazione
L’alluminio si contrae mentre si raffredda. Se le sezioni più spesse si solidificano per ultime senza un’alimentazione di metallo sufficiente, può verificarsi porosità da ritiro. I pezzi con spessori di parete variabili, sporgenze spesse, transizioni brusche o aree isolate particolarmente massicce sono particolarmente soggetti a questo fenomeno.
5. Parametri di pressofusione non corretti
La velocità di iniezione, la pressione, la temperatura e il tempo di raffreddamento influiscono tutti sulla porosità. Se la velocità della prima fase è troppo elevata, l’aria potrebbe rimanere intrappolata prima che la cavità sia adeguatamente riempita. Se la velocità della seconda fase è troppo aggressiva, la turbolenza potrebbe aumentare. Se la pressione è insufficiente, il metallo potrebbe non essere compattato correttamente.
6. Controllo inadeguato della temperatura dello stampo
Se la temperatura dello stampo è troppo bassa, il metallo potrebbe solidificarsi troppo presto, causando chiusure a freddo e problemi di scorrimento. Se la temperatura dello stampo è troppo alta, la solidificazione potrebbe rallentare e aumentare i difetti da ritiro. Una temperatura dello stampo non uniforme può inoltre causare un riempimento e una solidificazione instabili.
Metodi pratici per ridurre la porosità
La riduzione della porosità richiede un controllo su tutto il processo. L’approccio più efficace consiste nel combinare una buona progettazione del pezzo, una corretta gestione della lega, una progettazione ottimizzata dello stampo, parametri di processo stabili e un’ispezione rigorosa.
Ottimizzare la progettazione del pezzo
Una buona qualità della fusione inizia con una buona progettazione del pezzo. Se la struttura del pezzo non è adatta alla pressofusione, le sole regolazioni di processo potrebbero non risolvere completamente i problemi di porosità.
Lo spessore delle pareti dovrebbe essere il più uniforme possibile. Grandi differenze tra aree sottili e spesse possono causare un raffreddamento non uniforme e porosità da ritiro. Si dovrebbero evitare o riprogettare sporgenze massicce, nervature spesse e cavità profonde.
Gli angoli acuti dovrebbero essere sostituiti con raggi adeguati. Le transizioni morbide aiutano l’alluminio fuso a scorrere in modo più uniforme e riducono la turbolenza. Le nervature dovrebbero essere progettate con uno spessore adeguato per migliorare la resistenza senza creare un eccessivo accumulo di metallo.
| Fattore di progettazione | Rischio di progettazione inadeguata | Miglioramento raccomandato |
| Spessore delle pareti non uniforme | Porosità da ritiro, punti caldi | Mantenere uniforme lo spessore della parete |
| Sporgenze spesse | Cavità interne da ritiro | Utilizzare sporgenze cave o ridurre la massa |
| Angoli acuti | Flusso turbolento, concentrazione di sollecitazioni | Aggiungere raccordi e raggi adeguati |
| Sezioni lunghe e sottili | Cicatrici da raffreddamento, riempimento incompleto | Migliorare il percorso del flusso e la posizione del punto di iniezione |
| Aree isolate di elevata densità | Solidificazione tardiva | Aggiungere nervature, ridurre lo spessore o migliorare il raffreddamento |
Un ingegnere di fusione dovrebbe esaminare il progetto del pezzo prima della realizzazione degli stampi. Progettare tenendo conto della producibilità può prevenire molti problemi di porosità prima dell’inizio della produzione.
Migliorare la progettazione del punto di colata e del canale di colata
Il sistema di colata controlla il modo in cui l’alluminio fuso entra nella cavità dello stampo. Una progettazione inadeguata del punto di colata e del canale di colata può causare turbolenze, intrappolamento d’aria, riempimento non uniforme e ritiro localizzato.
Una buona progettazione del punto di iniezione dovrebbe consentire un riempimento fluido, direzionale ed equilibrato. Il metallo dovrebbe spingere l’aria verso gli sfiati e gli sfioratori invece di intrappolarla all’interno della cavità. La posizione del punto di iniezione dovrebbe essere scelta in base alla geometria del pezzo, allo spessore delle pareti, alla distanza di flusso e alle aree critiche per la qualità.
Per i pezzi che richiedono lavorazione meccanica, tenuta o resistenza alla pressione, i punti di iniezione dovrebbero essere progettati in modo da ridurre la porosità in prossimità delle superfici funzionali. I software di simulazione possono aiutare a prevedere l’intrappolamento d’aria, il comportamento del flusso, la distribuzione della temperatura e il rischio di ritiro prima della produzione dello stampo.
Migliorare la progettazione degli sfiati e dei troppopieni
Lo sfiato è uno dei fattori più importanti nella riduzione della porosità da gas. Durante il riempimento, l’aria all’interno della cavità deve fuoriuscire rapidamente. Se lo sfiato non è sufficiente, l’aria rimane intrappolata e forma dei pori.
Gli sfiati devono essere posizionati nelle ultime aree di riempimento, alle estremità del flusso e nei punti in cui l’aria è suscettibile di accumularsi. I troppopieni possono aiutare a raccogliere metallo freddo, ossidi e gas intrappolato. Migliorano inoltre la stabilità del riempimento.
Per ottenere parti pressofuse in alluminio di alta qualità, è possibile ricorrere alla pressofusione sotto vuoto per rimuovere l’aria dalla cavità prima e durante l’iniezione. I sistemi a vuoto sono particolarmente utili per parti strutturali, parti a tenuta di pressione e componenti con requisiti rigorosi in termini di porosità.
| Metodo | Funzione | Vantaggio |
| Corretto posizionamento degli sfiati | Consente la fuoriuscita dell’aria | Riduce la porosità del gas |
| Pozzetti di sfioro | Raccolgono il metallo freddo e l’aria intrappolata | Migliora la qualità del riempimento |
| Sistema a vuoto | Rimuove l’aria dalla cavità | Riduce i pori interni |
| Pulizia regolare degli sfiati | Previene l’intasamento | Mantiene stabile il processo |
| Simulazione del flusso | Prevede le aree di aria intrappolata | Migliora la progettazione dello stampo prima della prova |
Gli sfiati e gli sfioratori devono essere sottoposti a manutenzione regolare. I residui di lubrificante, le sbavature di alluminio e lo sporco possono ostruire i canali di sfiato e aumentare la porosità nel tempo.
Controllo della qualità dell’alluminio fuso
La qualità dell’alluminio fuso influisce direttamente sulla porosità. Metallo contaminato, elevato contenuto di gas, ossidi in eccesso o materiali di carica umidi possono aumentare i difetti.
L’alluminio deve essere fuso, pulito, degassato e protetto in modo adeguato. Il materiale riciclato deve essere controllato con attenzione poiché potrebbe contenere olio, umidità, rivestimenti o impurità. Gli utensili e le siviere devono essere asciutti prima di entrare in contatto con l’alluminio fuso.
Il degassaggio è comunemente utilizzato per ridurre il contenuto di idrogeno nell’alluminio fuso. La fusione con fondente e la schiumatura possono aiutare a rimuovere ossidi e inclusioni. Anche la temperatura di mantenimento deve essere controllata per evitare un eccessivo assorbimento di gas e l’ossidazione.
Una corretta gestione della fusione prevede:
- Mantenere i materiali di carica asciutti e puliti.
- Evitare un’eccessiva turbolenza durante il trasferimento del metallo.
- Rimuovere le scorie e gli ossidi prima della colata.
- L’utilizzo di metodi di degassificazione adeguati.
- Controllare la temperatura del forno e quella di mantenimento.
- Evitare tempi di mantenimento prolungati, quando possibile.
Una qualità stabile del metallo fuso contribuisce a ridurre sia la porosità da gas sia i difetti legati alle inclusioni.
Ottimizzare i parametri di iniezione
I parametri della macchina per pressofusione devono essere regolati con cura in base alle dimensioni del pezzo, allo spessore delle pareti, al tipo di lega, al design dello stampo e ai requisiti di qualità.
Il processo di riempimento comprende solitamente una fase di iniezione lenta e una fase di iniezione veloce. La fase di iniezione lenta aiuta a espellere l’aria dal manicotto di iniezione in modo fluido. Se è troppo veloce, l’aria potrebbe rimanere intrappolata nel metallo prima dell’iniezione. Sebbene la fase di iniezione veloce riempia rapidamente la cavità dello stampo, una velocità eccessiva può causare turbolenze.
Anche la pressione di intensificazione è importante. Una pressione adeguata aiuta a compattare il metallo durante la solidificazione e a ridurre le piccole cavità. Tuttavia, la pressione da sola non può risolvere il problema della porosità se l’aria è già intrappolata nella cavità.
| Parametro di processo | Se troppo bassa | Se troppo alta | Obiettivo di controllo |
| Temperatura del fuso | Formazione di creste fredde, riempimento insufficiente | Maggiore assorbimento di gas, rischio di ritiro | Riempimento e solidificazione stabili |
| Temperatura dello stampo | Congelamento precoce, segni di scorrimento | Raffreddamento lento, rischio di ritiro | Controllo termico bilanciato |
| Velocità di iniezione bassa | Scarsa fluidità del metallo | Intrappolamento d’aria nel manicotto di iniezione | Avanzamento regolare del metallo |
| Velocità di iniezione elevata | Riempimento incompleto | Turbolenza, aria intrappolata | Riempimento veloce ma controllato |
| Pressione di intensificazione | Struttura lassa, vuoti | Flash, sollecitazioni dello stampo | Metallo ben compattato |
| Tempo di raffreddamento | Deformazione, parte calda | Bassa produttività | Solidificazione completa |
Le impostazioni di processo non devono essere regolate a caso. È preferibile utilizzare i dati delle prove, l’analisi della localizzazione dei difetti e i risultati delle simulazioni per apportare miglioramenti controllati.
Mantenere la corretta temperatura dello stampo
La temperatura dello stampo influisce sul flusso del metallo, sulla solidificazione e sulla qualità finale del pezzo. Uno stampo troppo freddo può causare il congelamento dell’alluminio prima che la cavità sia completamente riempita. Uno stampo troppo caldo può rallentare la solidificazione e aumentare la porosità da ritiro.
Anche l’equilibrio termico è importante. Se un’area dello stampo è molto più calda di un’altra, il pezzo potrebbe solidificarsi in modo non uniforme. Ciò può creare punti caldi e cavità da ritiro.
I canali di raffreddamento, il raffreddamento localizzato, i perni termici e i regolatori di temperatura dello stampo possono aiutare a gestire il calore. Per le sezioni spesse, potrebbe essere necessario un raffreddamento aggiuntivo per ridurre i punti caldi locali. Per le aree sottili, un adeguato preriscaldamento e controllo della temperatura possono migliorare il riempimento.
La termografia e il monitoraggio della temperatura dello stampo possono aiutare a identificare le zone di temperatura instabili durante la produzione.
Ridurre i problemi legati ai lubrificanti e all’umidità
Gli agenti distaccanti sono necessari per il distacco del pezzo e la protezione dello stampo, ma un eccesso di lubrificante può causare la formazione di gas. Se il lubrificante si accumula nella cavità, potrebbe vaporizzarsi durante l’iniezione e aumentare la porosità.
È necessario controllare la quantità di spruzzo, la posizione di spruzzo, il tempo di spruzzo, il rapporto di diluizione e il soffiaggio d’aria. La superficie dello stampo deve essere asciutta prima dell’iniezione. Gli agenti distaccanti a base acquosa devono essere gestiti con attenzione poiché l’umidità può trasformarsi rapidamente in vapore quando entra in contatto con l’alluminio fuso.
Per ridurre la porosità legata al lubrificante, i produttori dovrebbero:
- Utilizzare il corretto rapporto di diluizione.
- Evitare un’eccessiva nebulizzazione.
- Migliorare l’automazione della spruzzatura.
- Garantire un adeguato soffiaggio d’aria.
- Prevenire l’accumulo di lubrificante nelle zone profonde.
- Mantenere asciutta la superficie dello stampo prima della colata.
Un processo di spruzzatura stabile e ripetibile è preferibile alla regolazione manuale basata esclusivamente sull’esperienza dell’operatore.
Utilizzare la simulazione della pressofusione
La simulazione è uno strumento potente per ridurre la porosità prima della produzione dello stampo e durante il miglioramento del processo. È in grado di prevedere il comportamento di riempimento, l’intrappolamento dell’aria, la distribuzione della temperatura, la sequenza di solidificazione e il rischio di ritiro.
Grazie alla simulazione, gli ingegneri possono testare diverse posizioni dei punti di iniezione, dimensioni dei canali di colata, posizioni degli sfiati, progetti di sfioro e schemi di raffreddamento prima di procedere al taglio dell’acciaio. Ciò riduce i costi legati alla procedura per tentativi e i tempi di sviluppo.
Per gli stampi esistenti, la simulazione può anche aiutare a spiegare perché la porosità si manifesta in determinate aree. Gli ingegneri possono confrontare le posizioni dei difetti con le sacche d’aria o i punti caldi previsti, per poi migliorare lo stampo o il processo di conseguenza.
Migliorare la manutenzione degli stampi
Anche uno stampo ben progettato può sviluppare problemi di porosità se non viene sottoposto a una corretta manutenzione. I canali di sfiato possono ostruirsi. I canali di raffreddamento possono perdere efficienza. I perni di espulsione possono usurarsi. Le bave possono compromettere la tenuta dello stampo. I danni superficiali possono alterare il flusso del metallo.
La manutenzione regolare dello stampo dovrebbe includere il controllo di sfiati, sfioratori, cursori, linee di raffreddamento, usura dei punti di iniezione, superfici di divisione e canali di vuoto. Gli sfiati ostruiti sono una causa comune per cui un processo stabile inizia improvvisamente a produrre pezzi porosi.
La manutenzione degli stampi dovrebbe essere registrata e le aree critiche dello stampo dovrebbero essere ispezionate dopo un numero definito di cicli.
Ispezionare e analizzare correttamente la porosità
La riduzione della porosità dipende da un’ispezione accurata e dall’analisi delle cause alla radice. A seconda dei requisiti del pezzo, possono essere applicate varie tecniche di ispezione.
L’ispezione a raggi X è utile per verificare la porosità interna senza tagliare il pezzo. La sezionatura può rivelare la forma e la posizione dei pori. La prova di pressione è importante per i pezzi a tenuta stagna. L’ispezione tramite lavorazione CNC può mostrare se i pori interni compaiono sulle superfici funzionali.
| Metodo di ispezione | Ideale per | Vantaggio | Limiti |
| Ispezione visiva | Difetti superficiali | Veloce e semplice | Non è possibile individuare la porosità interna |
| Ispezione a raggi X | Porosità interne | Non distruttiva | Costo maggiore |
| Taglio di sezione | Analisi delle cause alla radice | Mostra chiaramente la forma dei pori | Distrugge il campione |
| Prova di pressione | Parti a tenuta stagna | Conferma le prestazioni di tenuta | Non mostra l’esatta origine dei pori |
| Ispezione della lavorazione | Superfici funzionali | Individua la porosità a vista | Il difetto compare dopo il processo di trasformazione |
La forma dei pori può aiutare a identificarne la causa. I pori rotondi e lisci indicano spesso porosità da gas. Le cavità irregolari e interconnesse suggeriscono solitamente porosità da ritiro. Questa distinzione aiuta gli ingegneri a scegliere la giusta azione correttiva.
Errori comuni da evitare
Molti problemi di porosità persistono perché i produttori si limitano a regolare i parametri delle macchine senza risolvere la causa reale. Ad esempio, aumentare la pressione potrebbe non essere d’aiuto se lo stampo presenta uno sfiato inadeguato. Abbassare la temperatura potrebbe non essere d’aiuto se il ritiro è causato da un design con pareti spesse. Aumentare il raffreddamento potrebbe non risolvere la porosità da gas causata da materiale umido o da un eccesso di lubrificante.
Concentrarsi solo sui difetti evidenti è un altro errore frequente. La porosità interna potrebbe non essere visibile fino alla lavorazione meccanica, alla prova di pressione o all’assemblaggio da parte del cliente. Per i componenti critici, l’ispezione dovrebbe essere inclusa nelle prime fasi del piano di produzione.
È inoltre importante non trascurare l’uniformità del processo. Un componente potrebbe superare i test di prova dello stampo ma risultare difettoso durante la produzione in serie se la temperatura, la nebulizzazione, la qualità del metallo e il tempo di ciclo non vengono controllati.
Lista di controllo delle migliori pratiche per la riduzione della porosità
Una strategia completa di riduzione della porosità dovrebbe includere i seguenti punti:
- Verificare la progettazione del componente per garantire uno spessore uniforme delle pareti e transizioni regolari.
- Ottimizzare la progettazione di ingressi, canali di colata, sfiati e sfioratori.
- Utilizzare la pressofusione sotto vuoto per le applicazioni più esigenti.
- Controllare la purezza dell’alluminio fuso e il contenuto di idrogeno.
- Mantenere asciutti i materiali di carica, gli stampi e le siviere.
- Impostare velocità di iniezione, pressione, temperatura e tempo di raffreddamento stabili.
- Mantenere una temperatura equilibrata dello stampo.
- Evitare un uso eccessivo di agente distaccante e umidità.
- Pulire regolarmente gli sfiati e i canali di troppo pieno.
- Utilizzare i raggi X, il sezionamento e le prove di pressione per l’analisi delle cause alla radice.
I produttori possono ridurre notevolmente la porosità e aumentare l’affidabilità dei pezzi fusi combinando queste tecniche.