La tecnologia di anime e motte sta adattandosi alle sfide ambientali sempre più rigorose, attraverso l’adozione di nuovi materiali e leganti a bassa emissione.
L’obiettivo è quello di produrre componenti di alta qualità senza compromettere la sostenibilità ambientale.
Introduzione
Nel processo di fusione di metalli, le anime sono componenti utilizzati per creare delle cavità all’interno dello stampo, in cui il metallo fuso non deve entrare. Queste cavità possono essere progettate per scopi funzionali, come i cilindri all’interno dei basamenti motore, o per ridurre il peso complessivo del componente.
Le anime sono posizionate all’interno dello stampo prima che questo venga chiuso, utilizzando le sedi create dalle portate d’anima del modello. Ad ogni modo, a seconda della tecnologia di colata impiegata, l’anima può anche essere del tutto integrata nello stampo.
Al fine di assicurare la resistenza meccanica dell’anima in sabbia, vengono utilizzati leganti, ovvero dei composti chimici che aderiscono ai grani di sabbia per fornire resistenza meccanica. La quantità di legante varia dall’1 al 3%, mentre il restante 97 – 99% è composto da sabbia.
Negli ultimi anni, gli standard ambientali per l’industria di fusione di metalli sono diventati sempre più rigorosi (UNI EN 13725:2004; Direttiva 2010/75/UE del Parlamento europeo).
Specificatamente, i leganti più comuni impiegati per la formazione delle anime, nonostante il loro ridotto contenuto percentuale, emettono fino al 70% di composti volatili (VOC). Pertanto, l’obiettivo attuale è quello di rimpiazzarli con leganti a bassa emissione che assicurino caratteristiche fisiche e meccaniche ad alte temperature comparabili.
Cosa sono le anime da fonderia?
Le anime da fonderia sono particolari componenti realizzati in materiale refrattario, normalmente sabbia silicea o quarzifera con l’aggiunta di leganti, che sono miscele chimiche che aiutano a tenere insieme i granuli e forniscono resistenza meccanica all’anima stessa.
Queste anime sono utilizzate per ottenere fori, cavità o forme particolari nelle fusioni come ad esempio cave o rientranze.
Il loro utilizzo è essenziale per la formazione delle parti interne delle fusioni, ma inoltre possono essere assemblate per evitare molte lavorazioni meccaniche.
In alcuni tipi di fusioni, l’utilizzo di anime consente di ottenere forme in sottosquadro che altrimenti non sarebbero possibili. Le anime sono indispensabili per la produzione di numerosi componenti che troviamo nel mercato.
Per la fonderia, l’anima modello dovrebbe presentare le proprietà qui di seguito:
- Zero o basso sviluppo di gas durante la colata
- Capacità di resistere a elevate temperature
- Capacità di resistere alla rottura meccanica
- Capacità di resistere all’erosione durante la colata
- Stabilità dimensionale a caldo e a freddo
- Assenza di crepe sulla superficie prima del raffreddamento del metallo
- Facile svuotamento della fusione
- Plasticità durante la fase di raffreddamento del metallo
- Compatibilità con le resine già utilizzate in fonderia
- Facile immagazzinaggio (idrorepellenza)
- Basso costo
Le anime fatte in sabbia devono possedere proprietà essenziali per svolgere il proprio compito in modo efficiente, tra cui:
- Resistenza strutturale, necessaria per evitare danni in fase di:
- Spostamento dal fornitore alla fonderia
- Posizionamento nelle forme per la colata (ramolaggio)
- Colata stessa: malgrado il contatto con il metallo liquido ad alte temperature, deve conservare la propria geometria senza piegarsi o rompersi
In caso la resistenza fornita dal legante non sia sufficiente, per accrescere la robustezza è necessario aggiungere delle armature in ferro all’anima
- Permeabilità: l’anima produce gas a causa della decomposizione delle resine durante il contatto con il metallo liquido; queste sostanze gassose devono defluire in maniera rapida per non restare intrappolate nella fusione causando quindi difetti quali soffiature, che accrescerebbero la quantità di pezzi da scartare
- Cedevolezza: durante la solidificazione del metallo, l’anima deve evitare tensioni nel getto che possano causare deformazioni o rotture
- Sgretolabilità: nel momento in cui la fusione diventa solida, l’anima deve essere facilmente rimossa in maniera meccanica o termica durante la sterratura (operazione prima delle fasi di taglio e sbavatura della fusione)
- Capacità di resistere all’umidità.
Come vengolo prodotte le anime da fonderia?
Le anime da fonderia sono create utilizzando una forma del prodotto finale alla quale viene aggiunta la sabbia, precedentemente mescolata con la resina e/o reagente. Dall’1 al 5% è la quantità di leganti mentre la sabbia è il restante 95-99% è sabbia. La sabbia e la percentuale di resina vengono definite in base al prodotto finale che si deve ottenere e in base alla lavorazione eseguita in fonderia.
Le anime da fonderia possono essere realizzate in due modi: manualmente o tramite l’utilizzo di macchine automatiche chiamate sparaanime. Queste ultime consentono una produzione più rapida soprattutto per medie/grandi quantità di anime.
Nel caso in cui si avessero anime di piccole dimensioni in quantità limitata o anime di grandi dimensioni o pesanti per che non si possono produrre con la sparaanime, si utilizza la formatura manuale poiché i tempi di attrezzaggio della macchina non ne giustificherebbe l’utilizzo. La sparaanime esegue automaticamente le fasi di formatura, gasaggio ed estrazione delle anime in modo singolo o continuo, riducendo i tempi di produzione e mantenendo ad ogni ciclo la stessa qualità produttiva.
Tipologie di anime da fonderia
Le tipologie di anime si differenziano in base al processo di indurimento, alla categoria di legante impiegato e alle macchine o attrezzature utilizzate per la produzione di anime e motte.
Anima da fonderia
Le tecnologie impiegate per la creazione delle anime si differenziano a seconda del metodo di indurimento utilizzato e dei macchinari impiegati.
Le anime sono composte da una miscela di sabbia, generalmente di tipo quarzifero, un legante (che può essere organico o inorganico) e additivi per migliorare le proprietà del materiale di formatura.
Per la produzione delle anime vengono utilizzati degli stampi in acciaio , le casse anima, che possono essere riempite con la miscela attraverso processi automatizzati o manualmente. Ad esempio, le macchine spara anime utilizzano aria compressa per iniettare la sabbia nella cassa anima in pochi istanti, garantendo una precisione dimensionale elevata.
Le casse anima sono realizzate in acciaio per lavorazioni a caldo (UNI X40CrMoV5-1- 1KU o H13 bonificato), mentre le parti strutturali dello stampo che non sono a contatto con la miscela sono realizzate in ghisa; con la presenza di catalizzatori gassosi le sue metà della cassa anima sono sigillate con guaina in gomma.
Motta da fonderia
La motta è una miscela di sabbia e additivi che serve per dare forma e sostenere il contatto con il metallo fuso durante la produzione di getti.
La motta serve a contenere e a dare forma alla parte esterna della fusione e deve essere sufficientemente resistente per non deformarsi o deteriorarsi prima che il metallo solidifichi.
Esistono diverse tipologie di resine che possono essere utilizzate per la produzione di motte, ognuna con caratteristiche specifiche, come resistenza alle alte temperature, resistenza meccanica e velocità di indurimento. La scelta della resina dipende dal materiale da produrre, come la ghisa o l’acciaio.
L’indurimento della motta avviene solitamente a temperatura ambiente tramite una reazione chimica tra la resina e un catalizzatore aggiunto durante la fase di miscelazione. Per motte di piccole dimensioni o di elevata quantità, è possibile utilizzare impianti di gasaggio per velocizzare la produzione.
La motta può essere prodotta sopra un modello contenuto in un cassone, che viene rimosso dopo l’indurimento della miscela. Per ridurre i costi e aumentare la resistenza, può essere prodotta dentro una staffa di ferro, che viene rimossa dopo che la fusione si è raffreddata.
Il guscio è diverso dalla motta per la sua non regolare forma esterna (corrisponde alla conformazione del modello) e per lo spessore pressoché uniforme, già precedentemente definito, per garantire la resistenza meccanica richiesta e per limitare i costi. E’ fatto normalmente con sabbia prerivestita e alte temperature e richiede quindi l’utilizzo di modelli in metallo, rendendo il processo più costoso e lungo visti anche i tempi di produzione lunghi.
E’ fortemente indicato per fusioni piccole che richiedono precisione dimensionale e una buona superficie.
Caratteristiche di anime e motte da fonderia
Le proprietà delle anime dipendono dalla lega metallica utilizzata e dalla tecnica di colata. Devono tuttavia rispettare dei rigidi requisiti, i principali sono:
- Robustezza meccanica elevata fino al completamento della solidificazione
- Elevata resistenza al calore
- Resistenza all’umidità
- Permeabilità alle sostanze gassose
- Facilità di rimozione (sterrabilità)
Il raggiungimento di un’alta resistenza meccanica su sezioni sottili è fondamentale per garantire le condizioni di colata, tuttavia, ciò può complicare il processo di rimozione delle anime dal getto, aumentando i tempi necessari.
Le anime utilizzate in fonderia devono possedere alcune proprietà specifiche per assicurare una perfetta colata del metallo fuso. In primis, è fondamentale che abbiano una resistenza meccanica elevata per evitare danni durante la fase di trasporto e ramolaggio e resistere inoltre alla pressione del metallo fuso durante la colata. Inoltre, devono essere refrattarie, ovvero in grado di resistere alle temperature elevate senza subire danni chimici o deterioramenti delle proprietà meccaniche. La permeabilità è un altro fattore cruciale poiché l’anima deve permettere il libero passaggio dei gas e dei vapori per evitare difetti nei getti. La permeabilità è influenzata dalla granulometria e dalla forma della sabbia utilizzata: i grani sferici e omogenei danno le migliori performance. Per garantire una minore permeabilità, è necessario avere una maggiore compattazione e piccoli spazi intergranulari; questo è dato da granuli quanto più piccoli possibile.
Per garantire la libera fuoriuscita dei gas durante la colata in caso di anime poco permeabili, si possono adottare diverse tecniche:
- Si possono utilizzare dei tubi forati, chiamati lanterne, utilizzati anche come armature per la struttura
- In caso di anime di grandi dimensioni, si possono inserire pezzi di coke all’interno, che generano aree porose attraverso cui i gas possono fuoriuscire
- L’inserimento di canali di sfiato tramite un ago o cerini che creano una via di uscita per i gas senza compromettere la struttura dell’anima
La tolleranza all’umidità è strettamente connessa alla quantità di sostanze gassose emesse durante la colata e alla robustezza delle anime: un eccessivo assorbimento di umidità può comportare un deterioramento delle proprietà meccaniche e un peggioramento delle proprietà del materiale. La resistenza all’umidità è uno dei principali problemi legati alla formatura inorganica.
La rimozione completa delle anime è un requisito cruciale per la anime, che può essere raggiunta attraverso metodi meccanici o termici. Le resine organiche tendono a decomporsi facilmente sotto l’azione termica, garantendo una buona eliminazione.
Negli ultimi anni, il settore automobilistico ha visto una forte crescita nell’uso dell’alluminio grazie alla sua alta resistenza specifica e del suo basso peso. La produzione di questi componenti richiede l’uso di anime per creare cavità o alleggerire la struttura. In questi casi, le anime devono soddisfare i requisiti precedentemente menzionati, con particolare attenzione alla permeabilità. Nella fonderia di alluminio invece la refrattarietà non è così importante poiché le temperature coinvolte sono relativamente basse.
Materiali per la formatura
Per la produzione di anime, motte o gusci per fonderia i materiali principali utilizzati sono costituiti da sabbie legate con resine chimiche.
Sabbia da fonderia
Le sabbie in uso per la formatura di anime, motte o gusci per fonderia provengono da diverse fonti come cave, laghi o recupero (meccanico, termico e da lavaggio industriale). Le diverse tipologie di sabbia possono essere di Silice, Zirconio, Olivina o Cromite e hanno caratteristiche chimiche e costi differenti.
La sabbia di Zirconio e quella di Cromite vengono utilizzate principalmente come additivi per eliminare difetti nelle fusioni, mentre l’Olivina è meno utilizzata a causa delle sue proprietà chimiche difficili da utilizzare con i leganti.
La scelta della sabbia dipenderà dalle esigenze e dal tipo di produzione della fonderia; sul mercato se ne trovano con diverse caratteristiche sia di provenienza che di prezzo.
In genere, la sabbia viene fornita in sacchi, tramogge metalliche o tramite autotreni dotati di cisterne con scarico pneumatico.
Processi di produzione di anime da fonderia
Anime da fonderia con processo Cold-Box
Il processo Cold-Box è una reazione tra una miscela di sabbia e resine in condizioni di temperatura ambiente, accelerata da un catalizzatore sotto forma di vapore o di gas, che passando attraverso la miscela, provoca un indurimento rapido.
I procedimenti sono:
- ISOSET
- CO2
- BETASET
- ISOCURE
Anime da fonderia con processo Shell Moulding
Il processo Shell Moulding, denominato anche “a caldo”, utilizza una sabbia prerivestita e uno stampo caldo per ottenere anime, motte o gusci. Lo stampo, ovvero la cassa anima, è solitamente in acciaio. La sabbia utilizzata in questo processo viene chiamata prerivestita, ovvero ogni granello è rivestito con resine; a contatto con il calore dello stampo, la sabbia si ammorbidisce e i granelli di sabbia si legano tra loro.
Le anime ottenute con questo metodo sono vuote, robuste meccanicamente e con una superficie compatta e liscia, adatte per la produzione di pezzi di medie-piccole dimensioni con pesi che vanno da pochi grammi fino a 20 kg.
Anime da fonderia con processo Inorganico
Il processo inorganico utilizza un silicato (es. vetro liquido) come legante della sabbia che una volta miscelato, viene versato in uno stampo metallico riscaldato.
Il processo di indurimento della sabbia è abbastanza lungo e avviene attraverso l’evaporazione del solvente acquoso contenuto nel silicato.
Questo processo non produce alcun inquinamento dell’aria all’interno o all’esterno dello stabilimento, avendo quindi un impatto ambientale pari a zero.
Anime da fonderia con processo Hot-Box
I materiali per la formatura, sfusi o sparabili, umidi e legati organicamente, utilizzati nel processo Hot-Box nella produzione delle anime, vengono induriti in stampi metallici riscaldati attraverso delle macchine specifiche, chiamate macchine sparaanime.
Il calore accumulato durante questo procedimento di formatura delle anime si tramuta in un indurimento completo dell’anima stessa. Questo metodo consente di creare anime di grande complessità e precisione, in quanto la fluidità e la sagomatura sono molto elevate.
Anime da fonderia con processo Warm-Box
Rispetto all’Hot-Box, si distingue solo per la tipologia di catalizzatore utilizzato. E’ un metodo meno comune.
Anime da fonderia con processo Thermoshock
Per questo processo si utilizzano macchine Cold-Box per riempire le casse anima.
Dopo la chiusura, la cassa d’anima continua il suo percorso entrando nel forno temperato, per poi essere estratta all’uscita dopo aver raggiunto il punto di cottura. Questo metodo è comunemente utilizzato dalle fonderie che producono caldaie e radiatori.
Principali procedimenti per la produzione di anime da fonderia
Le anime in ghisa possono essere realizzate mediante diverse tecniche, a seconda del tipo di legante utilizzato e del modo in cui questo viene attivato.
I leganti più comunemente utilizzati sono:
- Inorganici: silicati e cementi refrattari
- Organici: polimeri che induriscono termicamente o termoplastici, con uno o più componenti
I principali metodi di formatura possono essere riassunti come segue:
- A temperatura ambiente:
- Catalizzatore gassoso
- Cold-Box Poliuretanico (resine poliuretaniche gasate con ammine terziarie)
- ISOSET (resine acriliche/epossidiche, gas = S02)
- Poliuretaniche (catalizzate con ammine altobollenti)
- Furaniche (catalizzate con acidi)
- Fenoliche (catalizzate con acidi)
- Fenoliche-alcaline (catalizzate con esteri organici)
- BETASET (resine fenoliche alcaline, gas= Formiato di metile)
- Silicati (silicati di sodio, gas = C02)
- No-Bake (autoindurenti)
- A caldo:
- Shell Moulding
- Warm-Box
- Hot-Box
- Thermoshock
- Altri processi:
- Cemento refrattario
- Oli siccativi
- Silicati ed esteri
- Silicato di etile
Punti di forza e debolezze dei vari processi
La qualità finale dell’anima dipende dal tipo di legante utilizzato e dal modo di presa. Questi fattori influiscono sui risultati finali in termini di produttività, costi, resistenza meccanica a freddo, ecc.
Alcuni dei parametri più importanti di un processo di formatura sono:
- Tempo di formatura: il tempo necessario per ottenere l’indurimento del legante, una volta che la reazione di “reticolazione” è stata attivata (nel caso dei polimeri avviene con alta temperatura e/o catalizzatori)
- Attitudine alla sterratura e stabilità termica: parametri di qualità che riassumono le caratteristiche del materiale legante in utilizzo
- Percentuale di legante: la percentuale ponderale del legante presente nell’impasto ha conseguenze sul costo finale dell’anima, sull’impatto ambientale del processo e sul riciclo delle sabbie
- Vita di banco: il tempo dal momento dell’impasto alla perdita della lavorabilità.
Ulteriori processi utilizzati per la produzione di anime a freddo con impianti meccanizzati
Anime da fonderia con processo No-Bake
Il metodo “autoindurente” No-Bake, in cui la sabbia viene legata con una resina e un catalizzatore acido tramite un mescolatore continuo viene usato nella formatura in sabbia resina.
Il processo “No-Bake” prevede la premiscelazione della sabbia di ciclo con una percentuale fissa di sabbia vergine, che viene quindi introdotta nel miscelatore assieme al catalizzatore (acido), al legante (resina) e alla sabbia. Ciascun granello di sabbia risulta così bagnato del legante; prima che indurisca, grazie all’effetto del catalizzatore, la miscela viene versata negli stampi per la creazione delle forme: la pressatura della miscela avviene poi manualmente.
Sul mercato esistono altri processi, ma sono utilizzati meno frequentemente o solo per determinate esigenze di produzione.
Possibili difetti nelle anime da fonderia
Per i getti la qualità della superficie richiesta è elevata e questo è un fattore fondamentale nella realizzazione delle anime. I leganti organici hanno effetti positivi in questo senso, poiché lo strato superficiale di antracite forma una barriera protettiva tra il metallo e l’anima. In aggiunta, il cuscinetto di gas che contrasta la pressione metallostatica impedisce la penetrazione del metallo tra i granelli di sabbia. Ciò non è possibile con le anime inorganiche, poiché non ci sono prodotti di combustione e la quantità di gas generato (acqua e aria) è molto inferiore rispetto al precedente.
Possibili fonti di difetti e soluzioni
Soffiature: si trovano generalmente sotto la superficie del getto o sotto pelle, possono essere di varie dimensioni e possono essere raggruppate o separate. Si presentano come cavità rotonda con pareti lisce e ossidate.
Il difetto è solitamente causato da:
- Bassa permeabilità della sabbia di colata
- Quantità di fori di scarico (sfiati) insufficiente o assente
- Eccessiva quantità di resina nell’anima (potrebbe essere stata aggiunta troppa sabbia di recupero da colate scartate)
- Umidità eccessiva nella sabbia (motta o anima)
- Quantità eccessiva di distaccante sui modelli
- Vernice non completamente asciutta
Pinholess o punti di spillo: si tratta di piccole soffiature, isolate o sotto pelle raggruppate.
Il difetto è solitamente causato da:
- Azoto e/o idrogeno presente in quantità eccessiva nelle resina, nella sabbie rigenerate o nella vernice
- Inoculanti o vernice inquinati
Carbonio brillante: la superficie del metallo appare di lucida e di colore scuro. Il difetto può essere corretto utilizzando una vernice adeguata o una vernice di ossido di ferro.
Il difetto è solitamente causato da:
- Tipo di resina utilizzata
- Resina presente in quantità eccessiva
- Sabbia poco premiabile
- Ventilazione non adeguata
Bave causate da anime:
Si osservano bave all’esterno della fusione. Il problema è normalmente causato da:
- Eventuali bave nelle portate delle anime
- Verificare le dimensioni delle portate nel modello e nella cassa anima
- Chiusura imperfetta della motta.
Si osservano delle bave nel getto, tra l’anima e la colata.
- Nella cassa anima è presente troppo distaccante liquido
- Se presenti nella parte superiore dell’anima, è causato dall’infiltrazione d’aria durante lo sparo
- Se si trovano lateralmente alla fusione e hanno forma non regolare, sono causate da perdite di sabbia durante lo sparo o il gasaggio.
Infiltrazione di metallo – erosione: il metallo trascina la sabbia o entra nell’anima o nella colata
Il difetto è solitamente causato da:
- Sabbia troppo grossolana
- Resistenza meccanica delle motte o delle anime bassa
- Refrattarietà insufficiente
- Miscela con vita di banco scaduta
- Compattazione insufficiente della miscela
- Resine non indicate per la temperatura del metallo
- Quantità di resina non sufficiente
- Vernice non completamente asciutta o mal utilizzata
- In fase di stoccaggio viene assorbita umidità
Cricche: si tratta di fusioni che presentano crepe
Il difetto è solitamente causato da:
- Sabbia utilizzata troppo fine
- Rigidità eccessiva della resina
- Utilizzo eccessivo di resina nella produzione dell’anima
Difetti a coda di topo o crestine: sono delle bavette normalmente irregolari. Se non si risolve, utilizzare una patina di ossido di ferro o additivi
Il difetto è solitamente causato da:
- Rigidità eccessiva della resina
- Utilizzo di sabbia troppo grossolana e rotonda per la produzione di motte o anime
Superficie non liscia: irregolarità a forma di buccia d’arancia
Il difetto è solitamente causato da:
- Presenza di ossidi nella sabbia che la rendono contaminata
- Eccesso di catalizzatore
Difetti di fusione:
- Formazioni grumose composte da metallo/sabbia rotonde
- Mescolamento insufficiente tra resine/sabbia
- Rottura della cassa anima
- Eccesso di gasaggio
- Formazioni grumose, sottili e piane, composte da sabbia/metallo che si formano nella parte superiore della fusione. Il difetto è solitamente causato da:
- Separazione di una parte della superficie superiore dell’anima
- Eccessivo utilizzo di resina
- Vernice non completamente asciutta o non appropriata
- Permeabilità della vernice e della sabbia
- Resina con superiore sviluppo di gas
- Sabbia troppo fine
- Umidità