Aspetti applicativi della nucleazione: inoculazione delle ghise e affinazione delle leghe di alluminio

Il controllo della dimensione e della forma dei grani nelle strutture di solidificazione è di vitale importanza nel determinare le prestazioni finali non solo di componenti strutturali ma anche funzionali. Una struttura con grani fini ed equiassici risulta utile, ad esempio, nel caso di leghe per applicazioni a temperatura ambiente, dove le caratteristiche meccaniche sono migliorate senza eventuali aggiunte di elementi alliganti. È importante sottolineare che, anche se una lega è soggetta a trattamenti e lavorazioni allo stato solido, la microstruttura finale può ancora essere significativamente influenzata dalla struttura primaria di solidificazione. L’inoculazione consiste nell’aggiunta di agenti nucleanti alla lega fusa atti a garantire una struttura di solidificazione costituita da grani fini ed equiassici. L’introduzione di tali agenti può avvenire dall’esterno sotto forma di piccoli particelle solide disperse nel bagno liquido oppure direttamente all’interno del metallo liquido attraverso una reazione chimica che provochi la formazione di un prodotto di reazione solido. Se da un lato tali metodologie di affinazione sono applicate a una vasta gamma di leghe metalliche, come leghe a base rame o leghe intermetalliche, l’utilizzo predominante dell’inoculazione è per le leghe a base Al e le ghise. La maggior parte di queste leghe sono colate con l’aggiunta di inoculanti, i.e. affinanti. L’affinazione del grano viene impiegata nei processi di colata semi-continua di placche e billette di leghe di Al, o nei più recenti impianti di strip casting. In questi casi, l’affinazione del grano riduce le macrosegregazioni, la possibilità di fratture lungo l’asse dei pezzi colati e permette una velocità di colata maggiore. L’inoculazione è altrettanto importante nei processi di fonderia delle ghise (e di leghe di Al), agendo sull’alimentazione del metallo liquido in fase di solidificazione e riducendo contemporaneamente la presenza di porosità e il fenomeno di criccatura a caldo. Sussistono inoltre altri benefici indotti dall’inoculazione, come una migliore risposta del materiale al successivo trattamento termico e una migliore qualità superficiale del getto ottenuto. In generale, i benefici indotti dal trattamento di inoculazione superano di gran lunga il costo dell’agente affinante aggiunto. Le leghe da deformazione plastica sono, naturalmente, soggette a severe deformazioni meccaniche dopo solidificazione che porta a una graduale frammentazione della struttura di solidificazione del materiale. Nonostante ciò, gli effetti positivi del trattamento di affinazione sono ancora evidenti tanto nelle operazioni di colata e successivi trattamenti, quanto nel cambiamento della dimensione e della morfologia delle fasi intermetalliche secondarie. Lo stesso dicasi nelle leghe da fonderia, dove la tipologia di inoculante è condizionata dalla tipologia di lega utilizzata, i.e. ipo-, iper- o eutettica. Generalmente, un processo di affinazione del grano è considerato efficace quando la dimensione del grano è mediamente inferiore a 200 μm. Il quantitativo di inoculante da aggiungere per ottenere una struttura fine e completamente equiassica dipende poi da molti fattori. Sicuramente il processo e i parametri di colata impiegati sono da considerarsi fondamentali, ma anche la composizione chimica della lega o la quantità di materiale riciclato nel processo fusorio concorrono a determinare il livello complessivo di affinazione del materiale.