Sabbia da fonderia: la chiave per la realizzazione di anime da fonderia di qualità

Il componente essenziale per la realizzazione di anime da fonderia è la sabbia. Per una maggiore sterrabilità, alcune fonderie usano anche anime solubili in acqua. Le anime in sabbia sono invece difficili da rimuovere durante la colata ad alta pressione, mentre quelle in sali possono essere eliminate semplicemente per immersione in acqua.
Si utilizzano normalmente sabbie refrattarie come la silice, lo zirconio, la cromite, l’olivina, la KerphaliteTM (sabbia naturale a base di andalusite), le cerabeads® (sabbia sintetica di alluminosilicato); per ottenere poi forme e caratteristiche necessarie, alla sabbia si aggiunge un legante.
Il fattore cruciale è la granulometria, la quale determina la qualità della superficie del getto, la permeabilità ai gas, e la distribuzione del legante.

La refrattarietà non è un fattore critico per la fonderia di alluminio, mentre di essenziale importanza è la permeabilità. L’anima deve essere composta da materiale che deve consentire il passaggio libero di gas e vapori e le condizioni ottimali si hanno con la forma sferica dei granuli di sabbia e una omogeneità dimensionale elevata. 

Con una riduzione delle dimensioni dei granuli, riduce la permeabilità, ma allo stesso tempo si ha una migliore distribuzione del legante, poiché aumenta l’area superficiale disponibile per la formazione di legami tra i singoli granuli. Inoltre, è migliore anche la qualità del getto poiché la possibilità di penetrazione del metallo nell’anima è minore.

Per quanto riguarda le dimensioni dei granuli, la condizione ideale si ottiene quindi con sabbia fine e una bassa produzione di gas o vapore in fase di colata. Anche il legante ha tuttavia un ruolo essenziale. 

I leganti organici emettono prodotti di elementi di combustione e cracking termico durante la colata che possono variare sensibilmente, anche per lo stesso tipo di polimero, a seconda del tipo di getto, della temperatura di colata e se viene usata sabbia rigenerata o nuova con la stessa granulometria.

E’ possibile l’utilizzo di sabbia con una granulometria fine grazie ai sistemi leganti inorganici poiché composti da materiali che non subiscono degradazioni termiche poiché non possono “bruciare”.

Le sabbie utilizzate per la produzione di anime vengono sottoposte a una serie di controlli prima dell’accettazione:

• Analisi granulometrica: un campione di sabbia viene vagliato su una serie di setacci normalizzati, pesando le frazioni rimaste sui differenti setacci e rapportando il risultato a 100
• Percentuale di fini (< 0,125 mm) e polveri (< 20mm)
• Indice di finezza (IF): ovvero la misura media dei grani della sabbia controllata. Dopo la setacciatura, si pesa la quantità di sabbia rimasta su ogni setaccio e si ottiene l’IF tramite la formula:

IF è l’indice di finezza; p sono le % sul totale trattenute dai singoli setacci; a sono fattori che dipendono dalla luce delle maglie e dal numero di maglie per cm² dei setacci

Inoltre, vengono eseguiti anche altri controlli come:

• Analisi microscopica della forma del grano
• Permeabilità: indica il volume d’aria in cm³ che passa attraverso 1 cm² di una provetta di spessore 1 cm in un minuto, sotto la pressione di 1 cm di colonna d’acqua
• Perdita a calcinazione (P.A.C.), che valuta la variazione di peso dopo essere stato riscaldato in una muffola
• Richiesta acida (ADV), che valuta il grado di acidità del campione di sabbia tramite una titolazione goccia a goccia con NaOH 0,1N fino ad arrivare ad un valore di pH 5

Attraverso un processo termico e/o meccanico, infine, la sabbia può essere rigenerata per liberare la superficie dei grani dal legante. I leganti organici possono essere trattati solo termicamente, mentre i leganti inorganici richiedono anche un trattamento meccanico per ottenere una sabbia perfettamente slegata.

Le anime e le forme vengono influenzate dalla tipologia di superficie dei grani della sabbia refrattaria, come segue:

• Dosaggio dei leganti: forma rotondeggiante e superficie liscia riducono il consumo di legante
• Permeabilità: una forma rotondeggiante aumenta la permeabilità ai gas durante la colata
• Scorrevolezza: una forma rotondeggiante migliora la scorrevolezza durante la formatura
• Penetrazioni: i problemi di penetrazione vengono ridotti con una forma angolare che consente la creazione di manufatti più compatti

L’Indice di Finezza (IF) maggiormente impiegato è considerato ottimale tra 40 e 60 e tipico tra 40 e 90. Va notato che sabbie con un IF alto, necessitano di una maggiore quantità di resina, peggiorano la scorrevolezza della miscela, aumentano lo sviluppo di gas e diminuiscono la permeabilità dell’anima.

Forma del grano

• Sferica: qualora si voglia ottenere resistenze elevate
• Sub-angolare: qualora si voglia diminuire il rischio di comparsa di crestine

Richiesta/fabbisogno acido

• Ideale: tra 0 e 5
• Accettabile: tra -5 (acida) e +5 (basica)
• Il fabbisogno acido è un parametro rilevante poiché un valore elevato (cioè una sabbia alcalina) riduce la vita della miscela Cold-Box poiché le parti A e B reagiscono tra loro in modo spontaneo

pH:

• Ideale: il più vicino possibile alla neutralità, cioè a 7,0
• Le sabbie molto alcaline (pH > 7,0) riducono la vita di banco della miscela. Il pH è quindi un fattore rilevante

Inquinanti: 

• Ideale: limitata presenza di ossidi d’argilla
• Si hanno dei limiti pratici nell’utilizzo degli inquinanti:

• Ossidi: tra 0 e 0,3%
• Argilla: tra 0 e 0.3%

Temperatura:

• Ideale: tra 20°C e 27°C
• Accettabile: tra 10°C e 40°C

E’ necessario che la temperatura della sabbia sia compresa tra 10°C e 40°C poiché:

• Temperature troppo alte accelerano la reazione spontanea tra A e B all’interno del miscelatore, riducendo la vita di banco della miscela
• Temperature inferiori a 10°C aumentano la viscosità dei componenti A e B, impedendo una buona miscelazione con la sabbia

Contenuto di umidità

• Ideale: tra 0 e 0,1%
• Accettabile: fino a 0,25%

Si deve prestare particolare attenzione al contenuto di umidità, poiché qualora superi lo 0,25%, la qualità delle anime si deteriora notevolmente. L’acqua:

• Decompone la parte B
• Diminuisce la scorrevolezza della miscela
• Diminuisce le resistenze e compromette l’indurimento e la rigidità dell’anima

La somma del prodotto presente negli ultimi due setacci più il fondo è il contenuto di fini. Il limite di accettabilità di solito è mediamente ≤ 1% ma dipende dall’origine del prodotto.

Sabbia di silice

Le sabbie di silice sono le più in uso grazie alla loro purezza chimica e delle proprietà termiche vantaggiose, inoltre sono compatibili con tutti i tipi di sistemi leganti di fonderia. La densità della silice è di circa 2,2 – 2,4 g/cm³ e un alto punto di fusione, superiore ai 1690°C. 

La silice SiO2, a pressione atmosferica, esiste in tre forme cristalline stabili nei seguenti intervalli di temperatura: Quarzo -> 870°C <- Tridimite -> 1470°C <- Cristobalite -> 1710 °C (p.f.)

Nel caso della fonderia di alluminio, non si raggiungono temperature così alte da permettere la trasformazione da quarzo a Tridimite, quindi ci si concentrerà sul quarzo.

La fase stabile a bassa temperatura viene indicata come “β-quarzo”. A 573°C si ha la trasformazione: β -> α quarzo, che è reversibile ed avviene precisamente alla T indicata. Ciò comporta un’espansione di volume maggiore del 4%, che può causare la rottura delle anime e difetti di fusione come venature e code di topo.

L’espansione delle sabbie di silice viene comparata con quella di altre sabbie comuni. Tuttavia, questa espansione può essere compensata dall’utilizzo di sistemi leganti complessi e additivi.

L’impiego di agenti che migliorano la scorrevolezza della sabbia, come calcio, sodio, potassio e ferro ed i loro ossidi, a causa della loro natura alcalina, possono abbassare notevolmente la temperatura di fusione. Ad esempio, per una sabbia di silice al 99,8% si nota un calo di temperatura da 1700°C a meno di 1200°C. 

Le sabbie di silice hanno inoltre carattere acido, ma la presenza di impurità come FeO-TiO₂, magnetite (Fe₃O₄) e l’olivina, ne elevano il pH, rendendo alcuni sistemi leganti non utilizzabili. I furani catalizzati con acido non induriscono mentre gli uretani fenolici reagiscono e induriscono all’istante. 

In aggiunta, come tutte le sabbie, hanno una bassa conducibilità termica e un coefficiente di espansione termica variabile a seconda della dimensione dei granuli e delle impurità.

Le sabbie possono essere naturali o sintetiche, ma dal momento che quelle naturali presentano residui e impurezze, nella fonderia si usano esclusivamente quelle artificiali trattate appositamente.

In riferimento al fattore di forma, nonostante una minore dimensione dei granuli corrisponda ad una migliore distribuzione del legante, è anche noto che un’area superficiale minore comporta ad un minore impiego di legante, con una conseguente diminuzione dell’impatto economico che incide sulla redditività  e sulla competitività di una fonderia. Si utilizzano tavole e formule per il calcolo della sfericità. Se si immagina di avere sfere perfette, con la giusta vibrazione i granuli sferici perfetti di sabbia si compatterebbero il più possibile dando una permeabilità teorica di zero, quindi il gas sviluppato in colata non passerebbe.

Questa teoria ha permesso di stabilire forma e distribuzione della sabbia.

Per quanto riguarda la forma dei granuli di sabbia, è possibile utilizzare termini specifici per descriverne la forma, come ad esempio “ben arrotondati”, “arrotondati”, “sub-arrotondati”, “sub-angolari”, “angolari” e “molto angolari” (da un’alta ad una bassa sfericità).

Per ottimizzare la compattazione e la permeabilità, è consigliabile distribuire i granuli di sabbia su quattro diverse dimensioni di setaccio in modo da creare una distribuzione a forma di campana, simile alla distribuzione gaussiana.

La forma dei granuli di sabbia ha un’importanza critica per la resistenza meccanica, pertanto si consiglia di utilizzare una miscela contenente circa il 60% di sabbia sferica e il 40% di sabbia angolare.

Le sabbie attualmente utilizzate in fonderia provengono da diverse fonti, come cave, laghi o recupero, e possono essere classificate in base alla loro composizione chimica, come sabbie di silice, zirconio, olivina e cromite. 

Le sabbie di zirconio e cromite sono utilizzate esclusivamente come additivi per eliminare difetti specifici delle fusioni a causa delle loro proprietà e del loro costo elevato.

La sabbia olivina risulta difficile da utilizzare con i leganti tradizionali a causa delle sue proprietà chimiche, e pertanto viene utilizzata sempre meno.

Esistono diverse qualità di sabbia silicea in commercio, caratterizzate da diverse provenienze, proprietà fisiche e prezzi. La scelta dipenderà dalle esigenze specifiche della fonderia e dal tipo di produzione.

La sabbia viene normalmente fornita in sacchi, tramogge metalliche, cisterne con scarico pneumatico o autotreni ribaltabili.

Altre tipologie di sabbie 

Esistono diversi tipi di sabbia per la fonderia:  cromite, zirconio, olivina, silicato di alluminio. 

Cromite

La cromite composta da un ossido di spinello di ferro e cromo (FeCr₂O₄) con un alto contenuto di Cr₂O₃, solitamente maggiore al 37%. Ha un punto di fusione di 2180°C e una densità di 4,3 – 4,5 g/cm³. Il suo grano è generalmente angoloso, è altamente chimicamente inerte e refrattaria. Buona stabilità termica e conducibilità che la rendono adatta per getti di ghisa o acciaio con punti caldi o peso elevato. Può contenere tuttavia impurità idrate che possono provocare difetti nelle soffiature dei getti. Presenta un AFS tra 50 e 80.

Silicato di zirconio

Il silicato di zirconio ZrSiO₄ costituisce la maggioranza ovvero più del 90% della composizione della sabbia di zirconio. Possiede un punto di fusione di 2550°C e una densità compresa tra 4,4 e 4,7 g/cm³. La sua espansione termica è limitata, mentre la sua conducibilità termica è elevata e la sua reattività con i metalli è bassa. La forma dei granuli è generalmente arrotondata, il che ne riduce la quantità di legante necessaria.

L’olivina è un silicato di magnesio naturale, anidro e senza silice libera. A differenza della sabbia di silice, quella di olivina è basica. La temperatura di fusione è di circa 1400°C. La sabbia di olivina ha un coefficiente di dilatazione inferiore rispetto a quella di silice e una curva di dilatazione termica praticamente lineare e continua, evitando la formazione di difetti come code di topo e sacconi. La densità è di 3,0 g/cm³ ed ha un’elevata conducibilità termica, che riduce l’utilizzo di raffreddatori. La forma dei granuli è angolare e l’AFS è compreso tra 60 e 180.

Silicato di alluminio

Il silicato di alluminio (Al₂SiO₅) è presente in tre forme: kyanite, sillimanite e andalusite. A elevate temperature, questi materiali si trasformano in mullite e silice. La forma dei granuli è altamente angolare. Questi materiali presentano un’elevata refrattarietà, una bassa espansione termica e un’elevata resistenza agli shock termici. Sono utilizzati nella microfusione, spesso in combinazione con la sabbia di zirconio.

Esistono anche delle sabbie speciali, utilizzate quando le sabbie silicee non soddisfano le specifiche chimico-fisiche richieste per la produzione del metallo o per il rapporto getto/anima.

Le principali sono:

• La cromite è caratterizzata da un’elevata capacità di trasmissione del calore, che consente di accelerare la solidificazione del metallo liquido. E’ un materiale molto utilizzato nelle fonderie d’acciaio
• Lo zirconio, in passato utilizzato come sabbia anti-crestine per eccellenza, è stato ridotto drasticamente nei consumi a causa della scoperta di una leggera radioattività naturale. Uno dei suoi impieghi nella granulometria fine AFA 90-100 è nel REPLICAST (o Ceramic Moulding System), dove è utilizzato per lo strato a contatto con il getto, principalmente per getti in acciaio
• L’andalusite o kerphalite, utilizzata come materiale di stampaggio, consente alle fonderie di ottenere anime con la più bassa espansione termica e la massima qualità superficiale in grado di resistere a temperature di colata alte, anche nelle aree più critiche. Questa sabbia garantisce una superficie densa dello stampo e contrasta quindi efficacemente la penetrazione del metallo liquido
• La sabbia sintetica di mullite o cerabeads offre un comportamento di dilatazione termica significativamente inferiore nell’intervallo di temperatura di 20-600°C, una conduttività termica, una resistenza al fuoco e altri parametri fisici superiori rispetto alla sabbia di quarzo
• La bauxite o sabbia fusa ha un’elevata capacità di trasmissione del calore, che consente di accelerare la solidificazione del metallo liquido; è molto utilizzata nelle fonderie d’acciaio

Le sabbie speciali, a differenza della sabbia di quarzo, ha migliori proprietà fisiche e chimiche che ne prediligono l’utilizzo.

• Analisi granulometrica: deve essere conforme a quella desiderata. Tutte le forniture devono presentare le stesse caratteristiche; una eventuale differenza comporterebbe la necessità di revisionare le percentuali di leganti e il conseguente impatto sulle fusioni
• Umidità: la sabbia teoricamente non dovrebbe contenerne. L’aumentare della percentuale di umidità causa una forma più debole e abbassa notevolmente il tempo di stoccaggio
• Perdita al fuoco o calcificazione: si verifica la presenza di impurità nella sabbia poiché possono causare anomalie difficili da identificare
• Richiesta acida: maggiore è il valore, minore è la durata della miscela, con conseguente diminuzione di resistenza meccanica delle anime o motte prodotte. Le fonderie che utilizzano sabbia di recupero o anime di grandi dimensioni devono essere prudenti nell’utilizzare resine della stessa famiglia o valutarne la compatibilità. Si raccomanda di tenere separate le forniture; questo per facilitarne i controlli del prodotto e per eventuali contestazioni di conformità

Il processo Shell Moulding utilizza sabbie prerivestite con resine fenoliche, ottenute attraverso un processo di prerivestimento. 

Le condizioni di reazione, come il tipo di catalizzatore, la temperatura e il rapporto tra fenolo e formaldeide, determinano la tipologia di resina fenolica utilizzata. 

Le principali tipologie di resina fenolica impiegate in fonderia sono le novolacche e i resoli.

Nel processo di prerivestimento della sabbia, è possibile incorporare delle sostanze supplementari con l’obiettivo di modificare le proprietà tecniche delle sabbie prerivestite. 

Gli additivi solitamente utilizzati sono:

• Prodotti acceleranti: per una maggiore e più veloce polimerizzazione più rapida e omogenea della resina fenolica
• Anti-crestine: hanno la funzione di ridurre la formazione di crestine durante la colata; gli ossidi di ferro sono neri (magnetite) o rossi
• Plastificanti: mantengono l’elasticità necessaria durante la fase di accoppiamento e diminuiscono gli shock termici e meccanici durante la colata

Vengono molto utilizzati nella produzione di gusci ma anche per anime

Lo Shell Moulding è un procedimento termico in cui si utilizza una sabbia prerivestita refrattaria.

Durante l’esposizione ad alte temperature superiori a 150°C, la formaldeide viene liberata rapidamente e reagisce con la resina fenolica novolacca (in fase liquida a quella temperatura),  trasformandola in una resina chiamata bakelite. In questo modo, la resina originaria che ha prerivestito la sabbia si trasforma in una resina termoindurente stabile anche alle alte temperature

Per garantire la qualità del materiale durante il trasporto e lo stoccaggio della sabbia, è importante seguire alcune regole specifiche. In primis, è necessario che il trasportatore utilizzi contenitori dedicati esclusivamente alla trasporto della sabbia, evitando qualsiasi possibilità di contaminazione con altri materiali, come il cemento. In caso contrario, è necessario prestare particolare attenzione al rischio di inquinamento del contenuto del contenitore.

Inoltre, durante lo scarico della sabbia utilizzando sistemi pneumatici, è importante utilizzare la pressione più bassa possibile e mantenere una distanza minima dal silo di stoccaggio, per evitare la rottura dei granuli di sabbia e alterazioni della granulometria. Inoltre, nel caso di sabbia utilizzata per il processo di Shell Moulding, è importante prestare attenzione durante lo scarico poiché il grano, precedentemente rivestito di resina ed essiccato, potrebbe perdere il potere di coesione durante il processo operativo.

Per garantire la qualità del materiale durante il trasporto e lo stoccaggio della sabbia, è importante seguire alcune regole specifiche: 

• È necessario che non ci sia contaminazione della sabbia con altri materiali, come il cemento. Accertarsi quindi che il trasportatore utilizzi contenitori dedicati esclusivamente al trasporto della sabbia
• Se durante lo scarico della sabbia si utilizzano sistemi pneumatici, è importante utilizzare la pressione più bassa possibile e mantenere una distanza minima dal silo di stoccaggio, per evitare la rottura dei granuli di sabbia e alterazioni della granulometria. Nel caso di sabbia utilizzata per il processo di Shell Moulding, è importante prestare maggiore attenzione durante lo scarico poiché il grano, precedentemente rivestito di resina ed essiccato, potrebbe perdere il potere di coesione durante il processo operativo
• Assicurarsi che il fondo del silo di stoccaggio sia dotato di una griglia costituita da un ferro piatto alto 8/10 cm, disposto in quadri di 15 cm circa, per garantire una distribuzione uniforme della sabbia. Evitare la formazione di corsie preferenziali nella discesa della sabbia nel silo, causate dalla diversa granulometria, che potrebbero provocare separazioni dimensionali dei grani e problemi al ciclo di lavorazione e alle fusioni stesse
• I sacchi e le tramogge contenenti la sabbia devono essere conservati in un ambiente asciutto, lontano da fonti di umidità e da altri materiali. Verificare che la sabbia dell’ultima fornitura sia stata utilizzata tutta prima di utilizzare quella della fornitura successiva
• Posizionare il silo in un luogo accessibile per il rifornimento e protetto da temperature estreme