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Fusione per induzione sotto vuoto
La fusione sotto vuoto (fusione ad induzione sotto vuoto – VIM) è stata sviluppata per la lavorazione di leghe specializzate ed esotiche e di conseguenza sta diventando sempre più comune poiché questi materiali avanzati sono sempre più utilizzati. VIM è stato sviluppato per fondere e colare superleghe e acciai ad alta resistenza, molti dei quali richiedono la lavorazione sotto vuoto perché contengono elementi refrattari e reattivi come Ti, Nb e Al. Può essere utilizzato anche per acciai inossidabili e altri metalli quando si desidera una fusione iniziale di alta qualità.

Come suggerisce il nome, il processo prevede la fusione di un metallo sotto vuoto. L'induzione elettromagnetica viene utilizzata come fonte di energia per la fusione del metallo. La fusione ad induzione funziona inducendo correnti parassite elettriche nel metallo. La sorgente è la bobina di induzione, che trasporta una corrente alternata. Le correnti parassite si riscaldano e alla fine sciolgono la carica.

Il forno è costituito da una camicia ermetica in acciaio raffreddata ad acqua in grado di sopportare il vuoto richiesto per la lavorazione. Il metallo viene fuso in un crogiolo alloggiato in una bobina di induzione raffreddata ad acqua e il forno è generalmente rivestito con idonei materiali refrattari.

I metalli e le leghe che hanno un'elevata affinità con i gas, in particolare azoto e ossigeno, vengono spesso fusi/raffinati in forni a induzione sotto vuoto per prevenire la contaminazione/reazione con questi gas. Il processo viene quindi generalmente utilizzato per la lavorazione di materiali di elevata purezza o materiali con tolleranze strette sulla composizione chimica.

D: Perché viene utilizzata la fusione ad induzione sotto vuoto?

R: La fusione ad induzione sotto vuoto è stata originariamente sviluppata per la lavorazione di leghe specializzate ed esotiche e di conseguenza sta diventando sempre più comune poiché questi materiali avanzati sono sempre più utilizzati. Sebbene sia stato sviluppato per materiali come le superleghe, può essere utilizzato anche per acciai inossidabili e altri metalli.
Come fa aforno ad induzione sotto vuotolavoro?
Il materiale viene caricato nel forno a induzione sotto vuoto e viene applicata energia per sciogliere la carica. Vengono effettuate cariche aggiuntive per portare il volume del metallo liquido alla capacità di fusione desiderata. Il metallo fuso viene raffinato sotto vuoto e la chimica viene regolata fino a ottenere la precisa chimica della fusione.
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 funge da scudo per impedire l'incollaggio. Nel vuoto dello spazio non c'è aria, quindi i metalli non formerebbero lo 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 sotto vuoto 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 compositive e contenuti di gas molto stretti
Rimozione di oligoelementi indesiderati con 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 sotto vuoto elimina la necessità di una copertura protettiva per le scorie e diminuisce il rischio di contaminazione accidentale delle scorie o di inclusioni nel lingotto
Per questo motivo le operazioni metallurgiche come la defosforazione e la desolforazione sono limitate. La metallurgia VIM si rivolge principalmente alle reazioni dipendenti dalla pressione, come le reazioni di carbonio, ossigeno, azoto e idrogeno. La rimozione di oligoelementi nocivi e volatili, come antimonio, tellurio, selenio e bismuto, nei forni a induzione sotto vuoto è di notevole importanza pratica.

Il monitoraggio esatto della reazione del carbonio in eccesso, dipendente dalla pressione, per completare la disossidazione è solo un esempio della versatilità del processo che utilizza il processo VIM per la produzione di superleghe. I materiali diversi dalle superleghe vengono decarburati, desolforati o distillati selettivamente in forni ad induzione sotto vuoto per soddisfare le specifiche e garantire le proprietà del materiale. A causa dell'elevata pressione di vapore della maggior parte degli oligoelementi indesiderati, questi possono essere ridotti a livelli molto bassi mediante distillazione durante la fusione ad induzione sotto vuoto, in particolare per le leghe con resistenze estremamente elevate a temperature operative più elevate. Per diverse leghe che devono soddisfare i più elevati requisiti qualitativi, il forno ad induzione sotto vuoto 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 gas di spurgo
Controllo esatto della temperatura per ridurre al minimo le reazioni del crogiolo con la massa fusa
Adeguate tecniche di scorificazione e filtraggio durante il processo di colata
Applicazione di un'adeguata tecnica di lavaggio e paniera per una migliore rimozione dell'ossido.