Processo di fusione a cera persa
Introduzione alla fusione a cera persa
La fusione a cera persa è un processo di lavorazione dei metalli. Un materiale ceramico resistente al calore viene applicato su un modello in cera per formare uno stampo ceramico. Lo stampo ceramico viene quindi essiccato, cotto e il modello in cera viene rimosso per formare un guscio. Il metallo fuso viene quindi versato nel guscio ceramico e, una volta che il metallo si è solidificato, il guscio viene rimosso per ottenere il pezzo fuso. Alcuni pezzi realizzati con la fusione a cera persa richiedono un'ulteriore lavorazione meccanica dopo la fusione. La fusione a cera persa viene tipicamente utilizzata per produrre componenti con forme complesse e con elevati requisiti di precisione dimensionale e qualità superficiale.
Processo di fusione a cera persa
Il principio fondamentale della fusione a cera persa consiste nell“”utilizzare la cera come stampo, il guscio come modello e fondere l’oro con il metodo della fusione a cera persa”. Il processo richiede sia precisione che un approccio sistematico, con un rigoroso controllo dei parametri di lavorazione in ogni fase (quali temperatura, umidità e spessore del rivestimento) per garantire la qualità della fusione.
Suijin Machinery fornisce flussi di processo standard per la produzione industriale su larga scala, offrendo al contempo soluzioni ottimizzate per la personalizzazione di piccoli lotti.
Fase 1: Fase preparatoria: disegni e progettazione del processo
1. Analisi e ottimizzazione dei disegni delle parti
Sulla base del modello 3D (formato STEP/IGES) o dei disegni 2D forniti dal cliente, analizzare la struttura del pezzo (spessore delle pareti, cavità interne, raccordi), le tolleranze dimensionali (ad es. requisiti di grado CT4-CT7), gli standard di qualità superficiale (Ra 1,6-6,3 μm) e i requisiti relativi ai materiali (ad es. acciaio inossidabile 316L, lega di titanio TC4);
Ottimizzazione dei processi:
- Aggiungere un rinforzo dello spessore durante la lavorazione per i pezzi a pareti sottili (≤1 mm) al fine di evitare una colata incompleta;
- Progettare “canali di sfiato” per cavità interne complesse, al fine di evitare il ristagno di gas nella struttura dello stampo, che può causare difetti di porosità;
- Contrassegnare le dimensioni chiave (superfici di accoppiamento, superfici di tenuta) per un controllo mirato nelle ispezioni successive.
2. Sistema di chiusura e progettazione del guscio
- Sistema di colata: progettare il canale di colata, i montanti e il canale di alimentazione in modo da garantire che il metallo fuso riempia uniformemente la cavità dello stampo, espellendo al contempo gas e impurità (i montanti devono essere posizionati nel punto più alto o nel punto più caldo del pezzo fuso per facilitare l'alimentazione);
- Parametri del rivestimento: in base al peso del pezzo fuso (≤50 kg per i pezzi standard) e al punto di fusione del materiale (le leghe ad alta temperatura richiedono un rivestimento più spesso), determinare il numero di strati del rivestimento (3-7 strati), lo spessore di ciascuno strato di rivestimento (0,5-1,5 mm), e il tipo di materiale refrattario (ad es. sabbia di zircone per superfici di alta precisione, sabbia di corindone per requisiti di elevata resistenza).
Fase 2: Realizzazione e assemblaggio del modello in cera
1. Preparazione della cera
- Cere comuni: lega di paraffina e acido stearico (rapporto 7:3), cera a media temperatura (punto di fusione 60-80 ℃), cera ad alta temperatura (punto di fusione 100-130 ℃, utilizzata per fusioni in leghe ad alta temperatura);
- Requisiti di lavorazione: la cera deve essere riscaldata fino a fonderla (a una temperatura superiore di 10-20 ℃ rispetto al punto di fusione), mescolata in modo uniforme e liberata dalle bolle d’aria (è possibile ricorrere al degassaggio sotto vuoto).
2. Iniezione nel modello in cera
- Iniettare la cera fusa nello stampo metallico a una pressione di iniezione compresa tra 0,3 e 0,8 MPa, con un tempo di mantenimento di 10-30 secondi (da regolare in base alle dimensioni del modello in cera);
- Metodo di raffreddamento: raffreddamento naturale o raffreddamento ad acqua. Assicurarsi che il modello in cera sia completamente solidificato prima di aprire lo stampo (per evitare deformazioni).
3. Rifinitura e controllo dei modelli in cera:
- Rimuovere manualmente le sbavature e i residui dalla superficie del modello in cera e riparare i difetti minori (come fori minuscoli o parti mancanti);
- Controllo dimensionale: utilizzare una macchina di misura a coordinate per controllare le dimensioni chiave e garantire che le tolleranze del modello in cera soddisfino i requisiti (di solito si prevede un margine di ritiro di 0,5-1,0 mm rispetto alla tolleranza di fusione);
- Qualità della superficie: effettuare un’ispezione visiva o utilizzare una lente d’ingrandimento per assicurarsi che non vi siano graffi, crepe o bolle (rugosità superficiale).
4. Assemblaggio del modello in cera:
- Collegare i singoli modelli in cera ai canali di colata e ai montanti tramite saldatura (saldatura a cera) per formare un “insieme di modelli in cera” (ad esempio, è possibile collegare da 5 a 20 modelli in cera a un unico canale di colata, a seconda delle dimensioni del pezzo);
- Obiettivo: Migliorare l'efficienza produttiva, ridurre gli scarti metallici durante la fusione e garantire l'uniformità della temperatura in più pezzi fusi.
Fase 3: Preparazione del guscio (fase fondamentale)
Il guscio è lo “stampo” per la fusione e deve garantire elevata precisione, elevata resistenza e traspirabilità. Si articola in 5 fasi secondarie:
1. Pre-rivestimento (primo strato di rivestimento)
- Formulazione del rivestimento: materiale refrattario a particelle fini (polvere di zircone, granulometria 10-20 μm) + legante (sol di silice, contenuto di SiO₂ 30%-35%) + agente bagnante (per impedire il distacco del rivestimento);
- Procedura: immergere lo stampo in cera nel rivestimento, ruotarlo lentamente per garantire una copertura uniforme della superficie, quindi rimuoverlo e far sgocciolare il rivestimento in eccesso;
- Funzione principale: costituisce la superficie finale del pezzo fuso, determinandone direttamente la precisione e la rugosità superficiali. Lo spessore del rivestimento (0,1-0,2 mm) deve essere rigorosamente controllato.
2. Applicazione della sabbia (primo strato)
- Materiale della sabbia: sabbia di zircone a grana fine (40-70 mesh), compatibile con il materiale refrattario della vernice pre-rivestita;
- Procedura: inserire la dima rivestita di cera nell'apparecchiatura di applicazione della sabbia (a pioggia o a letto fluido) per garantire che le particelle di sabbia aderiscano in modo uniforme alla superficie verniciata;
- Scopo: aumentare la resistenza del primo strato di rivestimento e prevenire la formazione di crepe negli strati successivi.
3. Essiccazione (primo strato)
- Condizioni di essiccazione: temperatura 20-25 ℃, umidità 40%-60%, tempo di essiccazione 4-8 ore (essiccazione naturale) o 1-2 ore (essiccazione con ventilazione forzata);
- Requisiti di qualità: Il rivestimento deve essere completamente asciutto, senza colature né bolle, e le particelle di sabbia devono essere saldamente aderenti alla vernice.
4. Rivestimento e levigatura ripetuti (strati successivi)
- Strato dal secondo al penultimo: utilizzare materiale refrattario a grana grossa (sabbia di corindone, 20-40 mesh) + sol di silice. Dopo l'applicazione, cospargere sabbia di corindone della granulometria corrispondente. Ogni strato deve asciugarsi per 6-12 ore.
- Strato finale (strato di copertura): applicare solo il materiale di rivestimento, senza cospargere sabbia. Ciò migliora le proprietà di tenuta dello stampo e impedisce al metallo fuso di infiltrarsi durante la colata.
- Numero totale di strati: 3-7 strati (3-4 strati per i pezzi di piccole dimensioni, 5-7 strati per i pezzi di grandi dimensioni). Spessore totale dello stampo: 3-10 mm (da regolare in base al peso del pezzo fuso e al materiale).
5. Essiccazione finale e ispezione pre-cottura del guscio dello stampo
- Essiccazione finale: temperatura 25-30 ℃, umidità 30%-50%, tempo di essiccazione 12-24 ore, assicurandosi che il contenuto di umidità del guscio dello stampo sia ≤0,5% (un’umidità eccessiva causerà la rottura del guscio dello stampo durante la colata);
- Ispezione: ispezionare visivamente la superficie del guscio dello stampo per verificare la presenza di crepe, mancanza di sabbia e distacchi. Se necessario, eseguire prove non distruttive (come il controllo con liquidi penetranti).
Fase 4: Rimozione della cera (processo a cera persa)
1. Scelta del metodo di deparaffinazione
- Deparaffinazione a vapore (metodo comune): collocare il guscio dello stampo in un’autoclave a vapore ad alta pressione, introdurre vapore saturo a 0,6-1,0 MPa, mantenere una temperatura di 160-180 ℃ e attendere 10-30 minuti. Il modello in cera si scioglie e fuoriesce dal punto di colata, da dove può essere raccolto e riutilizzato (tasso di recupero ≥80%).
- Deceratura ad alta temperatura (adatta per cere ad alta temperatura o gusci di stampo complessi): collocare il guscio dello stampo in un forno di cottura, aumentare lentamente la temperatura fino a 400-600 ℃ e mantenerla per 2-4 ore. Il modello in cera brucia e si decompone completamente, impedendo che eventuali residui di cera compromettano la qualità della fusione.
2. Ispezione post-deceratura
- Nessun residuo di cera nella cavità dello stampo (verificabile con un endoscopio) e lo stampo non presenta crepe né deformazioni.
- Se si riscontrano residui di cera, è necessario prolungare il tempo di deceratura o aumentare la temperatura; in caso contrario, la carbonizzazione della cera durante la colata causerà porosità e difetti da inclusioni nel pezzo fuso.
Fase 5: Sparare con la mitragliatrice
1. Temperatura di cottura:
- 900-1100 ℃ (da regolare in base al materiale di fusione: acciaio inossidabile, acciaio al carbonio 900-950 ℃, leghe resistenti alle alte temperature, leghe di titanio 1000-1100 ℃);
- Tempo di cottura: 2-4 ore, velocità di riscaldamento 5-10 ℃/minuto (per evitare la formazione di crepe nel guscio dovute allo shock termico);
2. Funzioni principali:
- Rimozione dei residui di cera, dell’umidità e delle sostanze organiche dal guscio;
- Miglioramento della resistenza del guscio (resistenza del guscio a temperatura ambiente ≥20 MPa dopo la cottura) e della permeabilità;
- Formando una struttura compatta sulla superficie del guscio, riduce le reazioni chimiche tra il metallo fuso e il guscio.
Fase 6: Fusione e colata dei metalli
1. Preparazione del materiale metallico
- Selezionare metalli puri o leghe (ad esempio, acciaio inossidabile 304, lega per alte temperature Inconel 718) in base ai requisiti di fusione, assicurandosi che la composizione del materiale sia conforme alle norme (ad esempio, norme ASTM, EN);
- Pretrattamento del materiale: rimuovere l'olio superficiale e la patina di ossido per impedire che impurità penetrino nel metallo fuso.
2. Fusione
- Apparecchiature di fusione: forno a induzione a media frequenza (di uso comune, adatto per acciaio al carbonio, acciaio inossidabile e leghe di alluminio), forno a induzione sotto vuoto (utilizzato per materiali facilmente ossidabili come le leghe di titanio e le leghe resistenti alle alte temperature);
- Temperatura di fusione: 50-150 ℃ superiore al punto di fusione del metallo (ad esempio, punto di fusione dell’acciaio inossidabile 304: 1450 ℃, temperatura di fusione: 1500-1550 ℃);
- Trattamento di raffinazione: aggiungere disossidanti (ad esempio, lega di silicio-calcio, filo di alluminio) per rimuovere i gas e le impurità dal metallo fuso, garantendo così la purezza del metallo fuso.
Fase 8: Post-elaborazione e controllo qualità
1. Rimozione del sistema di gating
- Utilizzare una taglierina con mola abrasiva, una taglierina al plasma o un’elettroerosione a filo (per requisiti di alta precisione) per rimuovere i canali di colata e i montanti;
- Levigare le superfici di taglio fino a renderle lisce, in modo da garantire una transizione uniforme con la superficie del pezzo fuso.
2. Pulizia delle superfici
- Eliminare bave e sbavature, quindi levigare via i residui di sabbia e la patina di ossido dalla superficie del pezzo fuso;
- Se necessario, eseguire la granigliatura (utilizzando graniglia d’acciaio o graniglia di vetro) per migliorare la finitura superficiale (il valore Ra può essere ridotto al di sotto di 1,6 μm).
3. Trattamento termico (se necessario)
- In base ai requisiti prestazionali previsti per la fusione, eseguire ricottura, normalizzazione, tempra + rinvenimento, trattamento di solubilizzazione, ecc.;
- Esempio: trattamento di solubilizzazione dei pezzi fusi in acciaio inossidabile 304 (mantenimento a 1050-1100 ℃ per 1-2 ore, raffreddamento in acqua) per migliorare la resistenza alla corrosione; tempra (850-900 ℃) + rinvenimento (200-300 ℃) di pezzi fusi in acciaio per utensili per migliorarne la durezza e la resistenza all'usura.
4. Controllo qualità e Imballaggio e spedizione
Principio di fusione Suijin
Sintesi del flusso di lavorazione nella fusione a cera persa:
I principi fondamentali della fusione a cera persa ruotano attorno a “formatura di precisione, qualità controllabile ed equilibrio tra efficienza e costi”. Questi principi costituiscono la logica di base che guida la progettazione del processo, l’impostazione dei parametri e il controllo qualità, e determinano direttamente la precisione, le prestazioni, il tasso di resa e l’efficienza economica dei pezzi fusi.