Processo di fusione in sabbia
Introduzione alla fusione in sabbia
La fusione in sabbia è uno dei processi di fusione più diffusi e rappresenta oltre il 70% della produzione globale di fusioni. Il suo principio fondamentale consiste nel creare uno stampo utilizzando sabbia da fonderia (una miscela di sabbia di quarzo, bentonite, ecc.), versare il metallo fuso nella cavità dello stampo e, una volta che il metallo si è raffreddato e solidificato, rompere lo stampo per estrarre il pezzo fuso.
Questo processo è flessibile, conveniente e consente di produrre una vasta gamma di componenti metallici, con pesi che vanno da pochi grammi a centinaia di tonnellate, trovando ampia applicazione nei settori della produzione di macchinari, dell'automotive, delle macchine edili, delle macchine agricole e della ferramenta.
Processo di fusione in sabbia
Il processo di fusione in sabbia può essere sintetizzato in sette fasi fondamentali: “Preparazione dello stampo → Preparazione della sabbia da fonderia → Realizzazione dello stampo e delle anime → Assemblaggio dello stampo → Colata → Raffreddamento e rimozione della sabbia → Pulizia e finitura”. Ciascuna fase è strettamente correlata alle altre e influisce direttamente sulla qualità del pezzo fuso.
Fase 1: Preparazione dello stampo
Per realizzare lo stampo utilizzato a formare la cavità dello stampo in sabbia e l'anima in sabbia, che fungono da “base di riferimento” per la forma esterna e la cavità interna del pezzo fuso.
“Modello”: corrisponde alla forma esterna del pezzo da fondere, utilizzato per imprimere la cavità nello stampo in sabbia (ad esempio, per fondere un blocco motore, il modello è una “versione ingrandita” del blocco stesso);
“Core Box”: Corrisponde alla cavità interna e ai canali del pezzo fuso (come i condotti dell’olio e dell’aria del blocco), utilizzato per creare l“”anima in sabbia» (dopo che l’anima in sabbia è stata inserita nella cavità dello stampo, il metallo fuso riempie lo spazio tra l’anima in sabbia e la cavità dello stampo, formando la cavità interna dopo il raffreddamento).
Le dimensioni del modello e della cassa di colata devono tenere conto del ritiro (il metallo si restringe durante il raffreddamento; prevedere un margine di 1%-2% per la ghisa, 2%-3% per l'acciaio fuso e 3%-5% per le leghe di alluminio) per evitare che i pezzi fusi risultino troppo piccoli.
Fase 2: Preparazione della sabbia da fonderia
Per produrre sabbia da fonderia con funzioni di “formatura + sostegno + sfiato”, che costituiscano lo “scheletro” dello stampo in sabbia.
Inerte (85%-95%): sabbia di quarzo (ampiamente disponibile, resistente alle alte temperature, la materia prima principale);
Legante (3%-10%): bentonite + acqua (sabbia umida tradizionale), resina (sabbia resinosa), vetro solubile (sabbia al vetro solubile), utilizzato per legare la sabbia di quarzo e conferirle forma;
Additivi (1%-3%): polvere di carbone (per impedire che la sabbia si attacchi), segatura (per migliorare la permeabilità), agente disgregante (si disgrega facilmente dopo il raffreddamento, facilitando la pulizia).
Fase 3: Stampaggio + Realizzazione dell'anima
La creazione della “cavità” (la forma esterna del pezzo fuso) e dell“”anima in sabbia” (la cavità interna del pezzo fuso) mediante l’uso di sabbia da fonderia e stampi costituisce la fase fondamentale della fusione in sabbia.
Fissare il modello nella cassa di formatura, riempire e compattare la sabbia di formatura, quindi rimuovere con delicatezza il modello. All’interno della cassa di formatura si forma una “cavità” che corrisponde alla forma esterna del pezzo fuso.
Riempire la scatola per anime con sabbia da fonderia (spesso con l'aggiunta di resina per aumentarne la resistenza), compattarla e poi rimuoverla per ottenere un“”anima in sabbia” (come ad esempio l’anima del condotto dell’olio di un cilindro).
L'anima in sabbia deve essere rinforzata con “stecche di rinforzo” (filo di ferro/barre d'acciaio) per aumentarne la resistenza. È necessario applicare un “rivestimento” sulla superficie (per impedire l'adesione della sabbia e migliorare la levigatezza della cavità interna). È inoltre necessario prevedere una “testa dell’anima” (per fissare l’anima in sabbia nella cavità dello stampo e impedirne lo spostamento durante la colata).
Fase 4: Assemblaggio dello stampo
Per assemblare le cassette di sabbia superiore e inferiore e l'anima di sabbia in posizione, garantendo la tenuta della cavità dello stampo e impedendo la fuoriuscita o lo spostamento del metallo fuso durante la colata.
1. Inserire l'anima in sabbia nell'alloggiamento di posizionamento della cavità inferiore dello stampo (con la testa dell'anima fissa), assicurandosi che l'anima in sabbia sia posizionata con precisione (determinando così le dimensioni interne della cavità);
2. Allineare gli stampi superiore e inferiore (utilizzando i perni di posizionamento) e fissarli saldamente (per evitare che il metallo fuso faccia saltare in aria la cassa di sabbia durante la colata);
3. Predisporre il “sistema di canalette e colate”:
4. Sistema di colata: comprende la tazza di colata (che riceve il metallo fuso), il canale di colata, il canale secondario e il punto di colata (che convoglia il metallo fuso in modo regolare nella cavità dello stampo);
5. Colata di compensazione: posizionata sopra le parti più spesse del getto (per raccogliere il metallo fuso in eccesso) al fine di compensare il ritiro durante la solidificazione (prevenendo la formazione di cavità da ritiro e porosità);
6. Controllare la tenuta: sigillare eventuali fessure nella vasca della sabbia per evitare perdite o l'ingresso di sabbia durante il versamento.
Fase 5: Versamento
Iniettare il metallo fuso nella cavità dello stampo per riempirla e conferirle la forma desiderata.
Fusione dei metalli:Le materie prime, quali ghisa, acciaio fuso e leghe di alluminio, vengono introdotte nel forno (forno a cupola, forno ad arco elettrico o forno a induzione) e riscaldate fino allo stato fuso (ghisa 1300-1400 ℃, acciaio fuso 1500-1600 ℃, leghe di alluminio 650-700 ℃).
Temperatura: è necessaria una certa stabilità (una temperatura troppo elevata può causare cavità da contrazione, mentre una temperatura troppo bassa può comportare una colata incompleta).
Velocità: mantenere una velocità costante (una velocità troppo elevata può causare erosione da sabbia e porosità, mentre una velocità troppo bassa può provocare la formazione di difetti di saldatura dovuti al raffreddamento improvviso).
Procedimento: Versare lentamente il metallo fuso attraverso la tazza di colata, assicurandosi che il metallo fuso riempia ogni angolo della cavità dello stampo.
Fase 6: Raffreddamento + Rimozione della sabbia
Lasciare che il metallo fuso si raffreddi e si solidifichi nella cavità dello stampo, quindi rompere lo stampo in sabbia per estrarre il pezzo fuso.
Raffreddamento: una volta colato il metallo fuso, è necessario lasciarlo raffreddare naturalmente nello stampo in sabbia (per i pezzi di piccole dimensioni: da pochi minuti a qualche ora; per i pezzi di grandi dimensioni, come i basamenti delle macchine utensili: diversi giorni di mantenimento del calore e raffreddamento) per evitare un raffreddamento rapido che potrebbe causare la formazione di crepe.
Rimozione della sabbia: una volta raffreddata a temperatura ambiente, la forma viene rotta e la sabbia di formatura viene rimossa mediante picchiettamento manuale o con una macchina vibrante per la rimozione della sabbia. Il pezzo fuso viene quindi estratto (a questo punto, la superficie del pezzo è ricoperta di sabbia aderente e presenta anche canali di colata, montanti e bave).
Fase 7: Pulizia + Post-elaborazione
Per rimuovere le impurità e verificare la qualità, al fine di garantire che il pezzo fuso soddisfi i requisiti d'uso.
Rimozione delle impurità:
- Rimozione della sabbia aderente: sabbiatura, granigliatura (impatto ad alta pressione di sabbia o graniglia d’acciaio sulla superficie);
- Rimozione delle parti in eccesso: sgrossatura (rimozione di canali di colata, bave e sbavature);
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Rimozione della patina di ossido: decapaggio acido, lavaggio alcalino (per acciaio fuso e leghe di alluminio);
Controllo qualità:
- Ispezione visiva: verificare la presenza di cavità da sabbia, porosità e crepe;
- Controllo dimensionale: verificare la precisione dimensionale utilizzando calibri e una macchina di misura a coordinate (la precisione della fusione in sabbia è in genere compresa tra CT10 e CT13);
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Ispezione interna: controllo dei difetti mediante raggi X, controllo dei difetti mediante ultrasuoni (per individuare cavità da ritiro interno e inclusioni di sabbia);
Elaborazione successiva (se necessario):
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Lavorazioni meccaniche: tornitura, fresatura e rettifica di superfici che richiedono un’elevata precisione (come i fori per cuscinetti);
- Trattamento termico: ricottura (per eliminare le tensioni interne), tempra (per aumentare la durezza), ecc., al fine di migliorare le proprietà meccaniche.
Principio di fusione Suijin
Sintesi del flusso di processo della fusione in sabbia:
Preparazione dello stampo → Preparazione della sabbia da fonderia → Formatura (realizzazione della cavità) + Realizzazione dell’anima (realizzazione della cavità interna) → Assemblaggio dello stampo (Inserimento dell’anima in sabbia + Sigillatura della cassa di formatura) → Colata (Versamento del metallo fuso) → Raffreddamento → Sformatura (Rimozione del pezzo fuso) → Pulizia (Rimozione delle impurità) → Ispezione + Post-lavorazione → Pezzo fuso finito
I principi fondamentali di ogni fase sono: “Formazione accurata della cavità, riempimento stabile con metallo fuso, raffreddamento e ritiro uniformi, nonché pulizia e ispezione rigorose”, al fine di produrre pezzi fusi conformi ai requisiti.