Colata in sabbia – Processo, proprietà della sabbia, pro e contro

In questo articolo, ci immergeremo nel moderno processo di fusione in sabbia, esaminando come funziona e perché rimane una delle tecniche di fusione dei metalli più utilizzate anche migliaia di anni dopo la sua nascita.

Che cos’è la colata in sabbia?

La colata in sabbia, o colata modellata in sabbia, è un processo di fabbricazione di metalli che utilizza stampi fatti di sabbia per creare prodotti in metallo. La sabbia è facilmente modellabile con oggetti comuni. Dopo averla modellata come desiderato, il metallo fuso caldo viene versato nello stampo. Quando il metallo si raffredda, assume la forma dello stampo mentre si solidifica. Il prodotto metallico finale viene poi estratto dallo stampo di sabbia e sottoposto a rifinitura prima di essere utilizzato.

Con la tecnica della colata in sabbia, si possono fabbricare prodotti di tutte le dimensioni e di tutti i livelli di complessità. Può essere utilizzata per fondere articoli piccoli come spilli o grandi come locomotive ferroviarie.. Inoltre, è compatibile con un ampia gamma di metalli tra cui ghisa, ferro malleabile, acciaio, leghe di nichel, leghe di rame, leghe di alluminio e leghe di magnesio.

La sua versatilità rende la colata in sabbia il processo di fusione più utilizzato al mondo, con oltre il 60% di tutti i prodotti metallici fusi realizzati con questo metodo.

Proprietà della sabbia da colata

Sebbene esistano molti tipi diversi di sabbie tra cui scegliere, non tutte sono adatte al processo di fusione. Ognuna di esse presenta determinate caratteristiche che possono essere o meno in linea con i requisiti del progetto.

A seconda del processo di fusione e del metallo, è necessaria la giusta combinazione di proprietà nella sabbia da modellare. Per migliorare la coesione, si possono aggiungere additivi e leganti speciali alla miscela base di sabbia, argilla e acqua.

Questi leganti, che possono essere organici o inorganici, includono cereali, pece macinata, carbone marino, gilsonite, olio combustibile, farina di legno, farina di silice, ossido di ferro e perlite, tra gli altri. Alcuni di questi leganti hanno effetti contraddittori ma i compromessi sono spesso necessari per bilanciare le proprietà per specifiche applicazioni di fusione.

Il quattro tipi di sabbia più comuni utilizzate per la colata sono la sabbia verde, la sabbia secca, il silicato di sodio e la sabbia di resina:

1. Sabbia verde Si chiama così perché è essenzialmente sabbia grezza mescolata con acqua. Presenta una consistenza simile all’argilla. La sabbia verde offre un’opzione a basso costo per la sabbia da colata con una buona riutilizzabilità ed è compatibile con alti tassi di produzione. Tuttavia, la sua bassa malleabilità può causare il collasso dello stampo in alcune situazioni. Inoltre, ha una propensione a creare difetti superficiali.
2. Sabbia secca è una sabbia che utilizza l’argilla e contiene pochissima acqua che funge da legante. Mantiene abbastanza bene la sua forma una volta che è stata riempita. Un vantaggio della sabbia secca è che crea pochissimo vapore durante la fase di riempimento, che nel caso di sabbie più umide può portare alla frattura dello stampo se non viene controllata.
3. Silicato di sodio Il silicato di sodio è una sabbia speciale che utilizza un legante di silicato di sodio per integrare la sabbia. Il silicato di sodio può creare forme più intricate o complesse rispetto alla sabbia verde e secca.
4. Sabbia di resina Utilizza una resina a base di alcol furfurilico per creare una massa coerente dalla sabbia. Il composto, robusto e altamente stabile, ha una tendenza molto bassa a rompersi e fornisce una precisione dimensionale e una finitura superficiale eccellenti. Tuttavia, è la più costosa di tutte le sabbie. Inoltre, ha tempi di consegna più lunghi.

Gli ingegneri di fusione scelgono il tipo di sabbia in base al metallo, alla geometria del prodotto e ai limiti di tolleranza. Ma a prescindere dalle specifiche, selezionano sempre un tipo di sabbia per le seguenti proprietà:

Refrattarietà

La refrattarietà è la proprietà di un materiale che gli permette di resistere agli shock termici e alla combustione quando è sottoposto a temperature elevate. La sabbia serve come materiale refrattario per il metallo fuso e quindi deve avere un punto di fusione elevato. La selezione della sabbia per la colata è ampiamente influenzata dalla temperatura del processo. Se la refrattarietà è insufficiente, la sabbia si scioglierà e si fonderà con la colata.

Per molti metalli, come l’alluminio, la sabbia deve sopportare solo una temperatura di 700 gradi Celsius. Tuttavia, le sabbie per le fusioni in acciaio devono resistere ad almeno 1500 gradi Celsius, poiché il punto di fusione è più alto.

Permeabilità

La sabbia deve espellere il vapore e altri gas generati durante il processo di fusione. Ogni unità di acqua nello stampo produce 1600 unità di vapore.

Se i gas e il vapore rimangono intrappolati, possono causare difetti come soffiature e fori di gas nel prodotto finale. La loro rimozione è fondamentale per ottenere una finitura di buona qualità. Pertanto, la permeabilità è una proprietà cruciale della sabbia per ottenere un prodotto finito di alta qualità.

Le proprietà della sabbia per formatura sono influenzate dalla dimensione e dalla distribuzione dei grani: i grani piccoli aumentano la resistenza della forma ma riducono la permeabilità, mentre i grani più grandi aumentano la permeabilità. I grani fini producono una finitura superficiale liscia sui getti, ma hanno una bassa permeabilità, mentre i grani grossi offrono una permeabilità più elevata ma una finitura più ruvida.

Alta conducibilità termica

La conduttività termica è la proprietà di un materiale che permette al calore di fluire attraverso di esso. Un flusso di calore efficiente porta ad un raffreddamento più rapido del metallo fuso. Le sabbie con un’elevata conducibilità termica sono necessarie per trasferire il calore dal metallo fuso all’atmosfera.

Bassa espansione termica

L’espansione termica è l’aumento o la diminuzione del volume di un materiale quando il calore viene aggiunto o rimosso, rispettivamente. Per il processo di colata in sabbia, è necessaria una sabbia con un’espansione termica molto bassa. Questo tipo di sabbia manterrà la sua forma durante le varie fasi del processo di fusione, compreso il versamento del metallo liquido e il successivo raffreddamento.

Fluidità

La capacità della sabbia di fluire nelle aree più piccole, come le cavità, le depressioni e i canali profondi del modello, determina la possibilità di utilizzarla per la fusione di forme complesse. La sabbia con una maggiore fluidità riempirà tutte le caratteristiche di un modello senza richiedere una pressione esterna.

Una sabbia altamente scorrevole non è necessaria per forme semplici, come un tombino, ma potrebbe essere necessaria per qualcosa di più complesso come una scultura. Il livello di scorrevolezza necessario può quindi essere determinato caso per caso.

Costo

Anche il costo può variare in modo significativo da sabbia a sabbia. La sabbia di silice, ad esempio, ha un’elevata disponibilità, ma anche problemi come l’instabilità dimensionale e la tendenza a bruciare o addirittura ad esplodere per formare particelle di dimensioni inferiori al micron sotto shock termico. La Silicosi è un problema estremamente preoccupante, in quanto i lavoratori sono esposti alla silice per lunghi periodi. L’olivina e la sabbia di cromite, invece, sono più costose e meno disponibili, ma non presentano i problemi sopra citati.

Il processo di fusione è semplice per i prodotti semplici. Si crea una cavità con la forma desiderata e vi si versa il metallo fuso attraverso un canale verticale. Una volta che il metallo si solidifica, viene estratto rimuovendo la sabbia dello stampo che lo circonda.

Tuttavia, con le forme complesse, occorre considerare attentamente aspetti come il riempimento dello stampo, la rimozione del metallo in eccesso, l’ottenimento di una finitura superficiale di alta qualità e la temperatura e la velocità ottimali del metallo fuso per un riempimento uniforme.

Analizziamo più in dettaglio un tipico processo di colata in sabbia:

1. Creazione dello stampo

Lo stampo viene creato utilizzando un modello, che è una replica del prodotto desiderato. Il modello può essere realizzato con un materiale o un processo diverso, come la lavorazione meccanica o la produzione additiva, ma ha la stessa forma e le stesse dimensioni del prodotto finale. È possibile creare più stampi utilizzando un unico modello.

Il modello viene separato in due parti lungo la linea centrale della forma. Ciascuna metà viene poi collocata in cassette di sabbia separate e la miscela di sabbia viene impacchettata intorno ad esse per creare le impronte dei modelli nella sabbia.

Una volta rimossi i modelli dalla sabbia, le due sabbiere vengono sovrapposte, fissandole per formare lo stampo completo. La metà superiore e la metà inferiore sono denominate, rispettivamente, “cope” e “drag”. La cavità dello stampo così generata ha la forma negativa del prodotto. Ad esempio, una sporgenza sul prodotto finale appare come una depressione nello stampo.

2. Creazione del sistema Gating

Il sistema di gating fornisce un percorso per il flusso del metallo fuso nella cavità. Un sistema ben progettato può essere fondamentale per la qualità del prodotto. Un sistema di rivestimento efficace è semplice, efficiente e riduce al minimo la turbolenza. Inoltre, trattiene eventuali gas o scorie presenti nel metallo fuso.

I componenti chiave del sistema di rivestimento che richiedono una progettazione accurata sono:

• Bacino di colata e canale di colata – La vasca di colata serve come punto di ingresso a forma di imbuto per il metallo fuso. Il metallo fluisce nella materozza dalla vasca di colata, muovendosi per gravità verso la cavità.
• Corridoi – Le guide sono canali orizzontali che permettono al metallo fuso di raggiungere la cavità della matrice dal canale di colata.
• Cancelli – Le porte sono i punti di ingresso della cavità dello stampo e assicurano un flusso regolare del metallo fuso nella cavità dello stampo, mantenendo la pressione e prevenendo l’infiammabilità. Inoltre, aiutano a limitare l’ingresso di scorie nella cavità dello stampo.
• Riser – Per contrastare la contrazione quando il metallo si raffredda, i riser servono come serbatoi nel sistema di rivestimento, immagazzinando metallo fuso extra. Quando il metallo inizia a ritirarsi, i riser forniscono materiale aggiuntivo alla cavità, evitando carenze di metallo.
• Anime – Quando un prodotto richiede una sezione cava o una cavità, un inserto di sabbia solida chiamato anima viene inserito all’interno dello stampo per formare la cavità prevista. Il metallo fuso si riempie intorno all’anima, creando la cavità nella colata finale. Le cappette mantengono l’anima in posizione durante la colata.

3. Versare il metallo fuso

Il metallo fuso viene versato dall’alto nella cavità. Il volume di metallo utilizzato supera leggermente quello del prodotto, per garantire che un po’ di materiale in eccesso venga immagazzinato nei riser.

4. Solidificazione nella colata

Una volta riempita la cavità dello stampo, la colata viene lasciata raffreddare. Si può applicare un raffreddamento naturale o forzato, a seconda del metallo e del processo. Un raffreddamento adeguato è essenziale per ottenere le proprietà desiderate e mantenere l’accuratezza dimensionale del prodotto finale.

5. Scuotimento e recupero della sabbia

L’agitazione è il processo di rimozione dei getti di sabbia dallo stampo. La sabbia viene scossa e spostata per separare il getto solidificato, che viene poi inviato alle operazioni di finitura finale, mentre inizia il recupero della sabbia.

Poiché non tutta la sabbia può essere recuperata, una parte della sabbia vecchia viene sostituita con sabbia fresca per i futuri processi di colata in sabbia. Per ripristinare le proprietà della sabbia per il riutilizzo, possono essere applicati trattamenti meccanici, chimici e termici, oltre ad aggiustamenti alla sua composizione, compensando l’umidità e gli additivi persi.

Vantaggi della colata in sabbia

Nonostante lo sviluppo di molte tecnologie avanzate negli ultimi decenni, la colata in sabbia rimane uno dei processi di fabbricazione dei metalli più popolari. I suoi vantaggi unici la rendono indispensabile nel panorama produttivo moderno. Oggi, la colata in sabbia è spesso automatizzata, migliorando la sua adattabilità ed efficienza per soddisfare le esigenze degli ambienti di produzione contemporanei. Ecco alcuni vantaggi chiave che rendono la colata in sabbia un processo così prezioso.

Adatto a tutti i tipi di produzione

La colata in sabbia è compatibile con diverse configurazioni di produzione, consentendo la produzione di pezzi singoli, di lotti o di massa. Questo metodo è ampiamente utilizzato in settori come l’automotive, la difesa, l’agricoltura, l’industria mineraria, l’edilizia, la sanità e le energie rinnovabili.

Nell’industria automobilistica, la colata in sabbia è utilizzata per lo sviluppo di prototipi, blocchi motore, testate e varie parti di motori IC. La sua applicazione si è estesa anche alla produzione di EV, dove la colata in sabbia viene impiegata per produrre componenti strutturali, alloggiamenti di motori, involucri di batterie e altro ancora.

C’è quasi nessuna limitazione sulle dimensioni Anche i prodotti che vanno da pochi grammi a qualche tonnellata di massa possono essere fusi con precisione matematica. Prodotti che vanno da pochi grammi a qualche tonnellata di massa possono essere fusi con precisione matematica.

Efficiente dal punto di vista dei costi

Uno dei fattori principali che spingono vari settori ad adottare la tecnologia di colata in sabbia è il costo. La colata in sabbia è significativamente più conveniente rispetto ad altri processi di colata. La sabbia può essere riutilizzata per colate future con una lavorazione minima.

La automazione nella produzione di grandi volumi riduce anche il costo per pezzo, garantendo una qualità costante e affidabile. La colata in sabbia comporta anche bassi costi di attrezzaggio rispetto ad altri metodi di fusione.

Adatto a tutti i metalli

La colata in sabbia può funzionare con quasi tutte le leghe metalliche ferrose o non ferrose. Gli esempi includono oro, ferro, piombo e titanio. L’unico requisito è che si sciolga e fluisca come metallo liquido nello stampo. Questa flessibilità consente alle fonderie di lavorare con un’ampia gamma di metalli senza richiedere modifiche significative ai processi o alle attrezzature.

Processo veloce

Anche se i processi come la colata centrifuga possono essere più efficienti per forme specifiche, la colata in sabbia offre tempi rapidi sia per la prototipazione che per le applicazioni su larga scala.

Limitazioni della colata in sabbia

Tutti i processi di produzione comportano dei compromessi. Nel caso della colata in sabbia, tuttavia, questi compromessi sono minimi rispetto ai vantaggi. Esaminiamo alcuni di questi limiti:

Scarsa finitura superficiale

La scarsa qualità della sabbia e le deviazioni del processo possono talvolta causare una scarsa finitura superficiale nei getti in sabbia. Qualsiasi guasto nello stampo in sabbia può portare a una superficie ruvida. Per i prodotti che necessitano di una finitura superficiale di alta qualità senza un’estesa post-elaborazione, spesso si preferiscono la pressofusione e la microfusione, ma la colata in sabbia può anche produrre finiture raffinate con la sabbia e i processi giusti.

L’utilizzo di sabbia di alta qualità e più fine offre una finitura superficiale molto migliore, ma aumenta il costo del processo. Anche un’adeguata ramatura o impacchettamento delle particelle di sabbia aiuta a migliorare la finitura superficiale. Per correggere i difetti della superficie, come una finitura troppo ruvida, i getti in sabbia vengono solitamente sottoposti a operazioni di lavorazione come la tornitura, la rettifica e la granigliatura.

Controllo approssimativo delle velocità di raffreddamento

Mentre le velocità di raffreddamento possono essere controllate in modo più efficace in molti processi di fabbricazione dei metalli, non si può dire lo stesso per la colata in sabbia. La sabbia, essendo un isolante, aggrava le sfide legate alla fase di raffreddamento. La fase di raffreddamento si prolunga notevolmente nella colata in sabbia, con un impatto sui tempi di consegna e sui tassi di produzione.

Una certa variazione nell’anisotropia della microstruttura può verificarsi a causa delle diverse velocità di raffreddamento. L’anisotropia si riferisce ai cambiamenti delle proprietà meccaniche derivanti dalle alterazioni dell’orientamento dei grani del materiale.

La formazione di cavità interne può essere difficile

Il metodo di colata in sabbia richiede il posizionamento di anime nella cavità dello stampo per formare cavità interne. Per esempio, quando si produce un blocco motore, durante il processo di fusione è necessario creare delle cavità vuote per i cilindri del motore.

La creazione di camere interne, fori o spazi all’interno della cavità dello stampo è impegnativa, in quanto devono essere posizionati correttamente e supportati adeguatamente per resistere al processo di fusione. Più queste cavità diventano complesse, più sfide devono essere superate.

Se il processo non è automatizzato, è necessaria una manodopera qualificata.

I processi automatizzati possono essere costosi. Tuttavia, in assenza di automazione, il processo si basa su esperti di colata in sabbia qualificati che creano modelli, stampi e supervisionano il processo per garantire un prodotto di alta qualità. Senza manodopera qualificata, i risultati potrebbero essere significativamente inferiori agli standard accettabili, con conseguenti perdite di reputazione e materiali.

Conclusione

Nonostante la colata in sabbia tradizionale sia un processo antico, ha subito notevoli perfezionamenti, che l’hanno resa molto rilevante e utile nel panorama produttivo odierno. La sua popolarità è in parte attribuita alla sua versatilità tra vari tipi di metallo e dimensioni di prodotti, e in parte all’efficienza dei costi rispetto ad altri processi di fusione.

Le innovazioni in corso nella scienza dei materiali e nell’automazione dei processi ampliano ulteriormente l’importanza della colata in sabbia in settori che vanno dall’automotive all’edilizia. Con l’evoluzione delle industrie, la colata in sabbia continuerà a plasmare il paesaggio industriale, fondendo tradizione e innovazione nelle tecniche di lavorazione dei metalli.

Partecipa al forum per Progettisti!

La tua esperienza è fondamentale per la comunità. Unisciti a noi e contribuisci con le tue conoscenze!

Condividi, impara e cresci con i migliori professionisti del settore.