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Fusione a induzione sottovuoto
La fusione sottovuoto (fusione a induzione sottovuoto - VIM) è stata sviluppata per la lavorazione di leghe speciali ed esotiche e, di conseguenza, sta diventando sempre più comune man mano che questi materiali avanzati vengono impiegati in misura crescente. La VIM è stata ideata per fondere e colare superleghe e acciai ad alta resistenza, molti dei quali richiedono un processo sottovuoto perché contengono elementi refrattari e reattivi come Ti, Nb e Al. Può essere utilizzata anche per acciai inossidabili e altri metalli quando si desidera ottenere una fusione iniziale di alta qualità.

Come suggerisce il nome, il processo prevede la fusione di un metallo in condizioni di vuoto. L'induzione elettromagnetica viene utilizzata come fonte di energia per fondere il metallo. La fusione a induzione funziona inducendo correnti parassite elettriche nel metallo. La sorgente è la bobina di induzione, percorsa da una corrente alternata. Le correnti parassite riscaldano e infine fondono il materiale.

Il forno è costituito da un involucro in acciaio a tenuta stagna, raffreddato ad acqua, in grado di resistere al vuoto necessario per il processo. Il metallo viene fuso in un crogiolo alloggiato in una bobina a induzione raffreddata ad acqua, e il forno è generalmente rivestito con materiali refrattari idonei.

I metalli e le leghe che presentano un'elevata affinità per i gas, in particolare azoto e ossigeno, vengono spesso fusi/raffinati in forni a induzione sottovuoto per prevenire contaminazioni o reazioni con tali gas. Il processo è quindi generalmente utilizzato per la lavorazione di materiali ad elevata purezza o con tolleranze ristrette sulla composizione chimica.

D: Perché si utilizza la fusione a induzione sottovuoto?

A: La fusione a induzione sotto vuoto è stata originariamente sviluppata per la lavorazione di leghe speciali ed esotiche e, di conseguenza, sta diventando sempre più comune man mano che questi materiali avanzati vengono impiegati in misura crescente. Sebbene sia stata sviluppata per materiali come le superleghe, può essere utilizzata anche per acciai inossidabili e altri metalli.
Come fa unforno a induzione sottovuotolavoro?
Il materiale viene caricato nel forno a induzione sotto vuoto e viene applicata energia per fonderlo. Vengono effettuate ulteriori cariche per portare il volume del metallo liquido alla capacità di fusione desiderata. Il metallo fuso viene raffinato sotto vuoto e la composizione chimica viene regolata fino al raggiungimento della composizione chimica di fusione desiderata.
Che cosa succede al metallo nel vuoto?
In particolare, la maggior parte dei metalli forma uno strato di ossido su qualsiasi superficie esposta all'aria. Questo strato funge da barriera protettiva, impedendo l'adesione tra i metalli. Nel vuoto dello spazio, non essendoci aria, i metalli non formerebbero questo strato protettivo.

Vantaggi della fusione VIM
A seconda del prodotto e del processo metallurgico, i livelli di vuoto durante la fase di raffinazione sono compresi tra 10⁻¹ e 10⁻⁴ mbar. Alcuni dei vantaggi metallurgici della lavorazione sottovuoto sono:
La fusione in atmosfera priva di ossigeno limita la formazione di inclusioni di ossidi non metallici e previene l'ossidazione degli elementi reattivi.
Raggiungimento di tolleranze di composizione e contenuti di gas molto ristretti.
Rimozione di oligoelementi indesiderati mediante elevate pressioni di vapore
Rimozione dei gas disciolti: ossigeno, idrogeno, azoto
Regolazione precisa e omogenea della composizione della lega e della temperatura di fusione
La fusione sottovuoto elimina la necessità di una copertura protettiva di scorie e riduce il rischio di contaminazione accidentale da scorie o di inclusioni nel lingotto.
Per questo motivo, le operazioni metallurgiche come la defosforazione e la desolforazione sono limitate. La metallurgia VIM è principalmente orientata alle reazioni dipendenti dalla pressione, come le reazioni di carbonio, ossigeno, azoto e idrogeno. La rimozione di oligoelementi volatili nocivi, come antimonio, tellurio, selenio e bismuto, nei forni a induzione sotto vuoto riveste una notevole importanza pratica.

Il monitoraggio preciso della reazione dipendente dalla pressione del carbonio in eccesso per completare la deossidazione è solo un esempio della versatilità del processo VIM per la produzione di superleghe. Materiali diversi dalle superleghe vengono decarburati, desolforati o distillati selettivamente in forni a induzione sottovuoto per soddisfare le specifiche e garantire le proprietà del materiale. Grazie all'elevata pressione di vapore della maggior parte degli oligoelementi indesiderati, questi possono essere ridotti a livelli molto bassi mediante distillazione durante la fusione a induzione sottovuoto, in particolare per le leghe con resistenze estremamente elevate a temperature di esercizio più alte. Per le diverse leghe che devono soddisfare i più elevati requisiti di qualità, il forno a induzione sottovuoto è il sistema di fusione più adatto.

I seguenti metodi possono essere facilmente combinati con il sistema VIM per produrre fusioni pulite:
Controllo dell'atmosfera con bassi tassi di perdita e desorbimento
Selezione di un materiale refrattario più stabile per il rivestimento del crogiolo
Agitazione e omogeneizzazione mediante agitazione elettromagnetica o insufflazione di gas.
Controllo preciso della temperatura per ridurre al minimo le reazioni del crogiolo con il metallo fuso
Tecniche adeguate di rimozione delle scorie e di filtraggio durante il processo di fusione
Applicazione di una tecnica di lavaggio e smistamento adeguata per una migliore rimozione degli ossidi.