La scelta tra un grezzo forgiato e uno fuso per un ingranaggio si decide molto prima di tagliare il primo dente, e di fatto fissa il tetto a resistenza, fatica, ispezionabilità e costo unitario di tutto ciò che viene dopo. Due pezzi dallo stesso disegno possono comportarsi da componenti diversi una volta entrati in servizio, e la ragione è quasi sempre nel modo in cui il grezzo è stato fatto. La forgiatura deforma plasticamente una billetta solita sotto maglio o pressa, richiudendo i vuoti e orientando la fibratura lungo il profilo. La fusione versa acciaio liquido in uno stampo e lo lascia solidificare sul posto, congelando porosità, segregazioni e inclusioni lasciate dietro il fronte di solidificazione. Ogni via ha una sua nicchia ingegneristica legittima, e la risposta giusta dipende da severità del carico, urti, dimensione del pezzo, complessità geometrica, lotto e budget di ispezione che il cliente è disposto a pagare. Questo articolo passa in rassegna le differenze metallurgiche, il modo in cui il controllo non distruttivo legge diversamente le due vie, due qualità di riferimento ai due lati della linea, il bilancio dei costi e la specifica che l'acquirente deve mettere sulla richiesta.
A livello metallurgico, le due vie partono dalla stessa idea ma divergono quasi subito su densità e struttura del grano. Una forgiatura nasce da un lingotto o una billetta di colata continua, che già contiene porosità assiale, segregazione e inclusioni non metalliche. La pressa o il maglio di forgiatura comprime quindi quella billetta in due o tre direzioni, richiudendo i vuoti interni, spezzando la struttura dendritica di colata e forzando l'acciaio a fluire attorno all'incavo dello stampo. Il risultato è una microstruttura deformata con un flusso fibroso del grano che segue il contorno esterno del pezzo, cosicché le linee di flusso corrono parallele al percorso tensionale del piede dente invece di essere tagliate dalla lavorazione. La densità è vicina al valore teorico, tipicamente sopra il novantanove per cento, e la tenacità direzionale di un grezzo forgiato a regola d'arte è sensibilmente migliore di una sezione fusa a parità di composizione nominale. Una fusione, al contrario, solidifica dal liquido. Ritiro, porosità da gas, inclusioni di scoria o sabbia e segregazione intergranulare sono congelate nella sezione esattamente dove l'ultimo metallo liquido è diventato solido. Il grano è greggio di fusione, dendritico grossolano, e non esiste una fibra voluta. La densità è più bassa, e le proprietà meccaniche in una sezione spessa sono trascinate verso il basso da qualunque difetto sia sopravvissuto alla solidificazione, ed è per questo che la stessa specifica chimica su una fusione consegna resistenza garantita e limiti a fatica più bassi rispetto a una forgiatura.
La differenza di qualità interna salta agli occhi non appena il grezzo entra al controllo non distruttivo, e la logica di accettazione non è la stessa. L'ultrasuono su una forgiatura legge una matrice pulita e a grano fine, e cerca difetti laminari, cricche interne aperte durante la tempra e pieghe di forgiatura rimaste senza rifilo nel tratto o al bossolo. La pratica industriale classifica le forgiature per dimensione e numero di riflettori ammissibili in ciascuna zona di profondità, e l'ampiezza dell'eco viene confrontata con fori a fondo piatto di diametro noto. Poiché la matrice è fine, il rumore di fondo rimane basso e i piccoli riflettori sono risolvibili. Su una fusione, la stessa sonda ultrasonora vede una struttura dendritica grossolana che diffonde il suolo già a livello microstrutturale, alzando il piano di rumore e mascherando le piccole indicazioni. Le fusioni sono invece valutate per ritiro, canna di ritiro, inclusioni di scoria e cricche a caldo, che tendono a essere più grandi ma meno numerose, e l'accettazione si basa di solito su normative radiografiche o ultrasonore volumetriche che ammettono indicazioni locali più estese nelle zone meno sollecitate. In pratica, questo significa che una fusione porta quasi sempre una clausola di accettazione visiva, dimensionale e CND più severa al chilogrammo rispetto a una forgiatura di pari dimensioni, perché il fornitore non può dare per scontata la solidità interna che la pressa di forgiatura ha già consegnato. Le prove magnetiche e penetranti su entrambe le vie cercano poi difetti a vista in superficie: pieghe e cricche da tempra sulle forgiature, freddure e inclusioni di sabbia sulle fusioni.
Due qualità illustrano con pulizia la divisione ingegneristica. Il 42CrMo4, consegnato come forgiato bonificato, è il cavallo di battaglia di corone dentate, pignoni e alberi ad alta sollecitazione. Dopo normalizzazione, tempra in olio e rinvenimento raggiunge una resistenza a trazione compresa tra novecento e mille e cento megapascal su sezioni di idonea dimensione, con buona tenacità d'intaglio e un limite a fatica che sostiene profili dentati cementati o induriti per induzione. È la scelta predefinita per ingranaggi che vedono urti, servizio in inversione, forti pressioni sulla linea di passo o corone a parete sottile dove un cavo sarebbe catastrofico. Sul lato fusione, la qualità equivalente richiamata nell'ambito delle normative DIN EN 10293 e ISO 3755 per gli acciai fusi consegna una resistenza più bassa ma pur sempre utile su sezioni più pesanti che sarebbero antieconomiche o impossibili da forgiare. È la risposta standard per ingranaggi molto grandi, corone con nervature interne complesse, carter asimmetrici o grezzi che portano molta geometria integrata, come flange imbullonate e tasche alleggerite. La regola empirica è semplice: se la tensione al piede dente e la tensione di contatto cadono nel terzo superiore dell'ammissibile del materiale, o se il servizio prevede urti frequenti, si sceglie la via forgiata in 42CrMo4; se l'ingranaggio è grande, la geometria è quasi near-net-shape, i carichi sono bassi medi e il costo della matrice non si ammortizza, si specifica l'equivalente fuso e si accettano proprietà garantite più basse con CND più stretto.
Il bilancio dei costi discende dai componenti fissi e variabili delle due vie. Una forgiatura richiede un'attrezzatura in stampo chiuso, ammortizzata sul lotto, e lascia abbondanti sovrametalli di lavorazione su flangia, foro e facce dei denti perché la superficie a forgiata non è abbastanza precisa. Lo sfruttamento del materiale su un tipico grezzo a stampo chiuso si attesta intorno all'ottanta per cento, e il resto va a calamaia, bava e sovrametallo asportato. Una fusione richiede un modello e a volte anime, più economiche delle matrici di forgiatura, e la geometria può essere colata quasi near-net, cosicché il sovrametallo è più sottile e il volume di truciolo è minore. Su un grezzo grande e complesso che altrimenti richiederebbe saldare nervature e flange da lamiera, la fusione spesso vince per peso asportato e tempo macchina risparmiato. Il punto di incrocio è empirico: per grezzi piccoli, rotondi e simmetrici fino a poche centinaia di chilogrammi, le forgiature da serie di stampi standard sono economiche e la questione dell'attrezzatura sparisce. Una volta che il grezzo diventa grande, asimmetrico, nervato o geometricamente unico, il costo fisso di uno stampo chiuso spinge il prezzo unitario verso l'alto e la via fusa vince, a meno che il ciclo di servizio non imponga una microstruttura forgiata. La dimensione del lotto sposta di nuovo la bilancia: un ingranaggio singolo per un argano di ricambio spesso giustifica una fusione anche se una forgiatura sarebbe più forte, perché l'ammortamento dell'attrezzatura su un solo pezzo è troppo piccolo per pesare in una direzione o nell'altra.
Quando la via è scelta, la richiesta al fornitore deve portare una breve specifica scritta affinché ciò che arriva corrisponda a ciò che si intendeva. Indicare la qualità di acciaio e la norma a cui è ordinata, per esempio 42CrMo4 secondo EN 10083 per una forgiatura o l'equivalente fuso secondo EN 10293 per una fusione. Indicare il trattamento termico richiesto, lo stato di fornitura e l'intervallo di durezza sul dente e sul mozzo, e se le prove di trazione e d'urto devono essere tagliate da un provino aggiuntivo o da un'estensione sullo stesso grezzo. Indicare l'accettazione CND: ultrasuoni a una classe di riflettore specificata per la forgiatura, radiografia o ultrasuoni volumetrici a un grado specificato per la fusione, più magnetoscopia o penetranti su tutte le superfici lavorate dopo il trattamento termico. Indicare le tolleranze di disegno, i requisiti di marcatura e se sono richiesti certificati materiale secondo EN 10204 3.1 o equivalente. Infine, indicare la dimensione del lotto e il termine di consegna richiesto, perché quei due numeri decidono se il fornitore prende una maglia standard, un modello nuovo o una fabbricazione saldata come ripiego. Un grezzo specificato su questi sei punti è qualcosa che il fornitore può quotare onestamente, controllare e consegnare senza riaprire la conversazione metallurgica una volta emesso l'ordine.