Nello specifico, questo post è dedicato alla produzione di pressofusi destinati ai trattamenti superficiali di cromatura e di verniciatura.

Cromatura

Un pressofuso cromato presenta importanti caratteristiche estetiche e metallurgiche, che lo rendono tecnologicamente molto interessante.                                                                                                 Tale rivestimento permette infatti di conferire al pezzo una vasta gamma di finiture, che ne influenzano profondamente la resa estetica finale: oltre alla cromatura bianca sono ottenibili differenti colorazioni e finiture superficiali (lucida, perlacea o satinata grazie a particolari pretrattamenti). Inoltre, questo trattamento superficiale garantisce al pressofuso una maggiore resistenza ai fenomeni di corrosione, incrementandone anche la resistenza all’abrasione e all’usura superficiale.

Applicare questo trattamento con successo presenta tuttavia sfide non indifferenti: data la reattività della zama ai processi elettrochimici necessari per la cromatura, che avvengono in ambienti acidi, le discontinuità superficiali vengono amplificate e risultano in difettosità che ne compromettono la resa estetica e le proprietà funzionali.

La condizione superficiale richiesta viene spesso raggiunta attraverso trattamenti di pulitura superficiale, avendo cura di non eliminare lo strato a grano fine del pressofuso.

La cromatura risulta pertanto uno dei trattamenti superficiali più difficili da applicare ad un getto in zama: è dunque cruciale un attento design dello stampo e del processo produttivo, che deve essere particolarmente stabile. Il co-design del processo galvanico è inoltre un importante valore aggiunto per ottenere un pressofuso cromato di elevata qualità.

Valenza estetica e funzionale della cromatura

Come anticipato, questo rivestimento può avere due finalità differenti: estetica o funzionale. Nonostante esse non siano necessariamente disgiunte, distinguiamo quindi due processi differenti.

Il primo, per finalità estetiche, prevede la deposizione sulla superficie di zama di tre diversi strati metallici: rame, nickel ed infine un flash di cromo. Il rame alcalino proteggerà la zama dai successivi ambienti acidi, mentre il rame acido (in bagno di acido solforico) uniformerà la superficie e fornirà una base compatibile per il nickel, che garantirà resistenza alla corrosione e una superficie lucida. Infine, un flash di cromo conferirà il colore bianco.

Il processo di cromatura a spessore, per componenti funzionali, prevede invece il deposito diretto di uno spesso strato di cromo sulla superficie di zama. In questi casi lo spessore può superare i 15 micron (un valore decisamente superiore se paragonato ai 0,2 micron della cromatura con funzione estetica). La superficie finale sarà grigia ed opaca, e garantirà ottima resistenza alla corrosione e all’abrasione.

Difettosità riscontrabili in un pressofuso cromato

Soffermiamoci ora su alcune difettosità in particolare, che si possono riscontrare sui pezzi cromati, analizzandone brevemente le cause e le strategie risolutive adottabili, sia in pressofusione, sia durante il trattamento superficiale. Nello specifico, tratteremo le seguenti difettosità:

• Porosità
• Delaminazione
• Solchi

Porosità

Un primo difetto particolarmente diffuso è rappresentato dalla formazione di porosità (anche chiamate vaiolature), ovvero di piccoli crateri circolari (con diametro fino a 0.5mm). Sono solitamente causate da bolle di gas generate durante l’elettrodeposizione non correttamente evacuate, dipendenti da porosità presenti nel substrato di zama, da una superficie non correttamente preparata (con una bagnabilità errata) o da un design non ottimale dei telai. Per evitarle è fondamentale una ottimizzazione del design dello stampo, intervenendo su omogeneità di riempimento e termoregolazione e minimizzando la presenza di zone fredde particolarmente sensibili al difetto. È altresì importante che il processo di stampaggio operi in una condizione di stabilità termica, garantendo pressofusi il più possibile ripetibili per la preparazione successiva. Infine, è bene studiare i telai da utilizzare in galvanica in funzione della geometria del getto, evitando superfici parallele al pelo libero del bagno, per non generare ristagni di bolle di gas.

Delaminazione

Un secondo difetto comune è la mancata aderenza tra i diversi layer, chiamata delaminazione. Essa è causata da porosità intrappolate nel substrato o da fenomeni di corrosione che avvengono tra i diversi strati.

Una corretta analisi della distribuzione delle porosità superficiali è fondamentale per capire come intervenire su stampo e processo produttivo e permetterà di ottimizzare il processo di pulitura e preparazione della superficie. È inoltre importante controllare la stabilità delle condizioni dei bagni galvanici, riducendo i tempi tra le fasi per minimizzare i fenomeni di corrosione.

Solchi

Infine, è possibile riscontrare la presenza di solchi, all’apparenza graffi, su determinate superfici: la loro origine è da ricercarsi in un deposito disomogeneo del rivestimento galvanico che non è in grado di coprire completamente i solchi lasciati dalla lucidatura.

Pur trattandosi di un difetto che non dipende direttamente dal pressofuso (e quindi risolvibile intervenendo sugli spessori depositati e sul design dei telai), anche in questo caso si evidenzia l’importanza di un approccio verticale per ottimizzare il prodotto finito: una superficie del getto omogenea richiederà una lucidatura meno invasiva.

Verniciatura

Un ulteriore trattamento superficiale è la verniciatura.

Similmente alla cromatura, l’applicazione di un film sulla superficie di un pressofuso da un lato conferisce una maggiore resistenza a fenomeni corrosivi e di usura, e dall’altro ha un ruolo fondamentale nel definire le caratteristiche visive finali del prodotto, colore e texture. La finalità è quindi duplice: funzionale e decorativa.

Pur tollerando una condizione superficiale del pressofuso più disomogenea (non è prevista infatti una preparazione meccanica della superficie prima dell’applicazione del rivestimento), la verniciatura di un pressofuso in zama presenta specifici requisiti e difettosità.

Tipologie di verniciatura

Fra i processi di verniciatura più comuni ricordiamo la verniciatura a liquido, che permette di contenere gli spessori depositati e la temperatura di indurimento. Nella verniciatura a polvere, invece, il pigmento viene applicato in forma di polvere sul pezzo e quindi indurito, ottenendo un rivestimento spesso e robusto. Infine, nel processo elettrochimico di cataforesi, il pigmento è depositato immergendo il pezzo in appositi bagni (come nel processo galvanico), garantendo così la copertura di tutte le superfici del pezzo (e non solo quelle raggiungibili con una pistola).

Difettosità riscontrabili in un pressofuso cromato

Buccia d’arancia

Uno dei difetti più comuni del processo di verniciatura è una superficie irregolare detta buccia di arancia, dovuta ad un deposito di vernice eccessivo, o ad una distanza pezzo-ugello ridotta.

Tale difettosità può essere risolta principalmente definendo correttamente i parametri di verniciatura (automatizzando il processo) e migliorando la qualità superficiale del getto, riducendo la presenza di marezzature, sfogliature.

Schivature

Un secondo difetto comune sono le schivature (o occhi di pernice), che si presentano come piccoli crateri (0,2-0,4 mm) dove la vernice non riesce ad aderire.

La mancata adesione è solitamente dovuta ad una contaminazione della superficie di zama da residui oleosi o dei prodotti di verniciatura da additivi siliconici.

Un approccio statistico all’analisi del processo, con l’ausilio di un piano sperimentale ben strutturato, permette di approcciare un fenomeno complesso che coinvolge due tecnologie differenti, identificando le variabili fisiche che influenzano la formazione del difetto per ottimizzare il risultato.

Blistering

Un ulteriore difetto rilevante è quello del blistering: gas o aria intrappolati nel pressofuso, espandendosi durante la cottura della vernice, possono portare alla formazione di “bolle”, ovvero a deformazioni rigide della superficie del pezzo, specialmente in corrispondenza di pareti sottili.

Questo fenomeno è difficilmente risolvibile in verniciatura (le temperature e i tempi di indurimento sono legate al tipo di vernice utilizzata). Diventa quindi fondamentale ottimizzare il processo di riempimento dello stampo, definendo il design più adeguato dei canali anche con l’ausilio dei software di simulazione CFD, al fine di minimizzare le turbolenze che portano ad intrappolamenti di aria. Inoltre, l’adozione di un sistema per lo stampaggio sottovuoto aiuta fortemente a ridurre l’incidenza di questa anomalia.

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Identificare la dimensione dei fori, la loro forma e superficie è cruciale per indicare quale difetto è presente e definirne le cause.

In ogni caso è importante distinguere la porosità da riduzione termica da quella ad intrappolamento d’aria: i buchi causati dalla presenza di aria hanno forme sferiche, mentre l’assenza di materia della porosità da restringimento presenta delle superfici angolari.

Ora analizzeremo in dettaglio i difetti da porosità da contrazione termica.

Cosa causa la porosità  da contrazione termica?

La porosità da contrazione compare durante la fase di solidificazione del materiale, che comincia con la fase di riempimento dello stampo e termina quando ogni parte del materiale è completamente solidificata. La causa della formazione è la contrazione del materiale e, per questa ragione, la porosità è tanto intensa quanto elevato è l’indice di contrazione.

Il metallo iniettato negli stampi comincia la sua fase di raffreddamento quando entra in contatto con le pareti dello stampo. Lo scambio termico causa la solidificazione del metallo dalla superficie esterna al nucleo. Durante questa fase, il volume del metallo diminuisce causando un gradiente convettivo verso la superficie esterna. Per questa ragione le porosità si concentrano vicino le parti interne e massicce del componente.

Nella pressofusione dello zinco, in particolare per le leghe di zinco per fonderia, l’indice di contrazione del metallo è molto importante.

Altre caratteristiche della HPDC dello zinco che possono aumentare la porosità da contrazione sono l’alta conduttività termica dello zinco, aree di entrata per gli estrattori troppo piccole e un raffreddamento dello stampo ineguale.

Quando il design dello stampo e i parametri operativi non sono appropriati, le leghe di zinco potrebbero solidificare velocemente, il gradiente termico potrebbe essere molto elevato, si potrebbero formare aree calde e i canali sarebbero le prime parti del pressofuso a solidificare:  in particolare quest’ultimo aspetto porta a diminuire l’effetto compressivo dei colpi. Tutto questo causa la porosità da contrazione termica.

Una volta analizzati questi punti, è importante lavorare su una componente geometrica che è fondamentale perché alcune geometrie possono presentare maggiori criticità di alter: ad esempio, un grande spessore delle pareti e una sezione trasversale troppo massiccia.

La porosità da contrazione in un prodotto nuovo o già esistente

Per un nuovo prodotto, al fine di evitare difetti è necessaria un’analisi in simulazione durante la fase di design. Se il componente esiste già, è necessario testare lo stampo ed analizzare i pressofusi colpiti dalla porosità di contrazione, in particolare le loro dimensioni e la posizione del difetto.

Come evitare i difetti con la simulazione di un nuovo prodotto

La porosità da contrazione può essere eliminata assicurando il flusso del metallo liquido ad alte pressioni durante la fase di raffreddamento. I tecnici dovrebbero utilizzare un software di simulazione per ottenere un analisi per la fase di raffreddamento del pressofuso.

Riguardo la porosità da contrazione è possibile identificare le forme e le posizioni della porosità e predire le sacche di aria attraverso una simulazione di fusione, tracciando i flussi.

Nel processo di pressofusione, grazie agli strumenti di simulazione, è possibile ottimizzare:

• La geometria dei pressofusi e degli stampi
• I parametri di fusione
• I sistemi di ingresso e raffreddamento
• La conformazione della matrice

I risultati dei dati sono necessari per indagare il problema e per diagnosticare il processo e prevenire i difetti.

Come risolvere la porosità da contrazione in un prodotto esistente?

A volte può succedere che un fornitore possa sostituire un altro fornitore per un pezzo particolare. Generalmente questo avviene per problemi di non-conformità dati da diverse ragioni: una di queste è la porosità da contrazione. In questo caso il nuovo fornitore dovrà lavorare direttamente sui prodotti, cercando di ottenere la soluzione migliore.

Ad esempio se le cavità hanno larghe dimensioni e sono sempre nella stessa posizione, vicino ai fori di immissione, potrebbe essere necessario intervenire su diversi fattori ed in particolare sugli estrattori e la geometria dei fori di entrata. Al contrario se le porosità hanno diverse frequenze e posizioni nel pressofuso, gli esperti dovranno lavorare sui macchinari e sui parametri operativi.

Per evitare la porosità da contrazione nei pezzi già esistenti, si può quindi lavorare in due modi:

• Modificare i parametri dei macchinari della pressofusione;
• Modificare lo stampo;

Qui sotto ci concentreremo su quali cambiamenti sono possibili.

Modificare i parametri dei macchinari per pressofusione

Prima di intervenire sui parametri delle macchine è importante controllarne la funzionalità. Infatti molto spesso i problemi di porosità possono essere causati da una manutenzione scorretta o assente.

Una volta che i fornitori hanno verificato la corretta funzionalità delle macchine, possono modificare i seguenti elementi:

• La pressione di lavoro: aumentare la pressione di lavoro ha sempre effetti positivi sulla porosità da riduzione, ma è importante non superare la forza bloccante della macchina. Per aumentare la pressione lavorativa è possibile diminuire il diametro dei colpi o aumentare la pressione idraulica;
• La temperatura di lavoro: modificando la temperatura e il tipo di fluido di raffreddamento è possibile raffreddare i punti caldi posizionati nelle zone di porosità;

Riassumendo, la pressione di lavoro e la temperatura sono i fattori macchina che contribuiscono a diminuire la porosità.

Modificare lo stampo

Cambiare la morfologia dello stampo significa evitare problemi quali la porosità da contrazione. Gli esperti possono lavorare su:

• Il canale di alimentazione: se le porosità sono vicine al foro di iniezione, il sistema più semplice ed efficace è quello di modificare l’estrattore in modo tale da rallentare la solidificazione nel canale di alimentazione e aumentare l’effetto comprimente dei colpi;
• Sistema di raffreddamento: come per le macchine, lo scopo è quello di raggiungere le zone di porosità al fine di raffreddate i punti caldi dello stampo;

Molti benefici derivano dall’uso di questi software di simulazione: ad esempio meno prodotti vengono scartati, il tempo di consegna è abbreviato e la qualità è migliorata. Queste previsioni portano ad una consistente riduzione dei costi, un miglioramento del materiale e una riduzione del consumo energetico e dalla quantità di scarti.

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