Le tecniche di fabbricazione dei manufatti metallici comprendono vari metodi di formatura. In genere, per ottenere un pezzo finito, devono essere usate due o più di esse. I metodi scelti dipendono da diversi fattori. I più importanti sono le proprietà del metallo, la grandezza e la forma del pezzo finito e, ovviamente, i costi.
Tecniche di lavorazione
Si può ottenere l’oggetto metallico nella forma desiderata per fusione (in sabbia, in conchiglia, in pressofusione). In alternativa, il metallo è colato in lingotti. Partendo dal lingotto, il pezzo metallico è ottenuto nella forma desiderata per mezzo di lavorazioni plastiche a caldo o a freddo. La lavorazione plastica comporta la deformazione del metallo per forgiatura, per laminazione, per estrusione, per trafilatura. Altro processo di formatura è la sinterizzazione delle polveri metalliche. Legato al problema della formatura è la tecnica della saldatura.
Forgiatura
Con la forgiatura, o fucinatura, si ottengono manufatti semilavorati o finiti partendo da lingotti o masselli, sottoposti a colpi ripetuti o a compressione in apposite macchine (magli o presse). I limiti della forgiatura risiedono nella grossolana tolleranza dimensionale e nella scadente finitura superficiale.
Laminazione
La laminazione, eseguita con apposite macchine (laminatoi), serve a ridurre la sezione o a modificare il profilo del materiale. Un laminatoio è costituito da due rulli sovrapposti, di acciaio o di ghisa, ruotanti in direzioni opposte, e separati da una luce (spazio tra le due superfici dei cilindri) di dimensioni inferiori a quelle della sezione trasversale del pezzo da laminare. Questo è introdotto, e schiacciato, fra i cilindri così che la sua sezione sia man mano ridotta: poiché la quantità, e quindi il volume, del materiale rimane costante, alla riduzione e sagomatura della sezione trasversale del pezzo si accompagna un suo allungamento. E’ necessario un gran numero di passaggi, tra rulli aventi luce via via decrescente, per ottenere manufatti di forma molto appiattita. Nella laminazione di profilati ogni coppia di cilindri è dotata di numerose scanalature, di area decrescente e di forma variante, in funzione della complessità del prodotto richiesto.
Estrusione
In questo processo un blocco di metallo, ottenuto in genere per forgiatura (massello), è forzato sotto pressione attraverso una matrice o una filiera di sezione trasversale molto più piccola. L’estrusione è impiegata per produrre una grande varietà di sezioni, sia piene sia cave, ottenendo fili, barre circolari, rettangolari o di forme geometriche molto complesse e, con particolari accorgimenti, vari tipi di tubi.
Trafilatura
Consiste in una lavorazione nella quale il materiale metallico è forzato a passare per trazione attraverso il foro sagomato di una matrice, in modo che la sua sezione primitiva sia ridotta alle dimensioni del foro stesso. La sezione è ridotta alle dimensioni volute in tappe successive, tirando il pezzo attraverso una serie di trafile. La trafilatura consente di ottenere fili, barre e tubi senza saldature.
Fonderia
La fonderia consente di ottenere getti monolitici di forma complessa, versando il metallo o la lega, allo stato liquido, in una forma all’uopo preparata. La forma è un’impronta in negativo del manufatto che si vuole ottenere, nella quale il metallo liquido solidificandosi, ne assume il profilo. Le forme possono essere in sabbia o in metallo (conchiglia). Le forme in sabbia si utilizzano per pezzi di grossa mole. Le forme di metallo, durevoli, si utilizzano, invece, per la fusione di un gran numero di pezzi. Le conchiglie possono essere utilizzate anche per fusioni sotto vuoto o sotto pressione.
A cera persa
Un particolare tipo di fusione è quella a cera persa. Consiste nel preparare un modello di cera e ricoprirlo con un materiale ceramico (per esempio gesso o argilla). Poi la cera è fatta colare via e nella forma, svuotata della cera, è versato il metallo fuso. Si utilizza per la fabbricazione di manufatti di pregio.
Metallurgia delle polveri
Gran parte dei metalli può ottenersi in forma polverulenta partendo dai sali, dai metalli puri o da loro leghe, con procedimenti meccanici, riduzione degli ossidi, precipitazione da soluzioni, elettrolisi di soluzioni acquose. Le polveri sono compresse, per mezzo di presse, in stampi riproducenti, in negativo, la sagoma del pezzo finito. Le polveri sono quindi trattate in forno a una temperatura inferiore al loro punto di fusione. Le superfici metalliche delle polveri, che vengono a trovarsi a contatto, per mutua diffusione, si uniscono saldamente fra loro.
Lavorazioni plastiche
Le lavorazioni plastiche sono quelle per le quali la forma di un pezzo metallico è variata per deformazione plastica. La deformazione deve essere indotta da una forza esterna la cui intensità deve oltrepassare il limite elastico del materiale. La maggior parte dei materiali metallici è adatta a queste procedure, essendo duttile, almeno in parte, e capace di subire deformazioni permanenti senza fessurarsi o fratturarsi. Quando la deformazione è ottenuta a una temperatura superiore a quella alla quale avviene la ricristallizzazione, il processo è detto lavorazione a caldo; diversamente è detta lavorazione a freddo.
Nelle lavorazioni a caldo sono possibili grandi deformazioni, le quali possono essere poi ripetute perché il metallo rimane duttile. Inoltre, l’energia di deformazione richiesta è minore di quella per le lavorazioni a freddo. La maggior parte dei metalli mostra, però, un’ossidazione superficiale che comporta una mediocre finitura finale della superficie. La lavorazione a freddo produce un aumento di resistenza accompagnata da una diminuzione di duttilità, poiché il metallo si indurisce deformandosi. I vantaggi, rispetto alla lavorazione a caldo, comprendono un’elevata qualità delle superfici finite, migliori proprietà meccaniche e un miglior controllo delle dimensioni del pezzo finito. Alcune volte la deformazione totale è compiuta in fasi successive nelle quali il pezzo è deformato a freddo, ogni volta in piccole quantità, e poi sottoposto di volta in volta a trattamenti termici al fine di conferire nuova duttilità al materiale.
La saldatura
La saldatura è la tecnica di giunzione con la quale si realizza la continuità del materiale metallico tra i due pezzi da congiungere. Il risultato dell’operazione è il cosiddetto “giunto saldato”, chiamato anche “saldatura”. La continuità fra il materiale metallico costituente i due pezzi da congiungere può essere ottenuta in due modi:
- per contatto e connessione liquido-liquido, ossia portando a fusione i due lembi del giunto;
- per contatto solido-solido, ossia senza fusione: in questo caso la connessione si ottiene per mutua diffusione fra i materiali dei due lembi, che rimangono sempre allo stato solido.
Le principali tecnologie di saldatura, suddivise in base al sistema di riscaldamento sono:
- processi all’arco elettrico con elettrodi non fusibili (TIG), elettrodi fusibili (MIG), elettrodi rivestiti, arco sommerso;
- processi a resistenza, a scintillio, con riscaldamento a induzione;
- processi con laser, fascio elettronico, plasma.