Sviluppo di tecnologie innovative in fonderia

Sand casting is the most ancient metal forming process, but it is still one of the more useful manufacturing process. On the other hand, aluminum is a quite new material, and he established itself in the industry for its intrinsic characteristics like lightness, corrosion resistance, machinability, formability, thermal and electric conductivity, and more. The increasing use of aluminum in the most advanced fields, like aerospace, naval, electric, chemical, push quality to higher levels, and it involves optimizing the methods developed during the years and the use of appropriate process control tool. The aim of this work is to review techniques and methods already known in academic world, to adopt them correctly in a real manufacturing process. The principal industrial interface has been Castalia, a company specialized in making big aluminum components by sand casting. Big attention is focused on thermal analysis: it is very useful like process control tool and to obtain experimental data on the solidification conditions of the casting. These information are very important to estimate the microstructural and metallurgical characteristics of the component. The principal themes are: Liquid metal treatments: grain refinement and eutectic structure modify make it possible to increase many casting properties, both on foundry process and final casting characteristics. Thermal analysis is used to control the treatments efficency and to estimate the impact of different cooling rates on microstructure. Mold material: the final casting characteristics depend from the properties and quality of the mold. Advanced image analysis instruments are used to characterize foundry sands end the effect of the sand reclamation. Directional solidification: Changing of the cooling rate in some zones of the casting is useful to avoid aluminum microshrinkage problems during solidification. Chills can be used to increase cooling rate in the zones where feeding could be a problem. Exothermal powders could be put on the feeder surface to keep them hotter for long times.

Nonostante il processo di fonderia in sabbia sia la tecnica più antica di formatura dei metalli, ancora oggi è uno dei processi produttivi più utilizzati. D’altro canto l’alluminio è un materiale abbastanza nuovo, che si è imposto industrialmente per le sue caratteristiche intrinseche quali leggerezza, resistenza alla corrosione, lavorabilità, formabilità, conduttività termica ed elettrica, aspetto estetico e altri ancora. Il progressivo impiego nei settori più avanzati quali l’aerospaziale, il navale, l’elettrico ed il chimico, spinge verso una qualità dei getti sempre più alta, che comporta l’ottimizzazione dei metodi sviluppati negli anni e l’uso di opportuni strumenti di controllo del processo. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di rivedere metodi e tecniche già note a livello accademico, in modo da poterle applicare correttamente in un processo produttivo reale. In particolare, l’interfaccia industriale principale è stata Castalia, azienda specializzata nella realizzazione di grossi manufatti in alluminio mediante un processo di fonderia in sabbia - resina. Molta attenzione è stata data all’analisi termica, utilizzabile sia come strumento di controllo del processo, sia per ottenere informazioni sperimentali sulle modalità di solidificazione del getto, le quali diventano molto importanti per stimare le caratteristiche microstrutturali e metallurgiche del componente. Volendo riassumere le principali tematiche affrontate si ricorda: Trattamenti sulla lega liquida: l’affinazione del grano e la modifica della struttura eutettica permettono di incrementare diverse proprietà del getto, sia inerenti al processo fusorio che alle caratteristiche finali del getto. L’analisi termica è stata utilizzata per controllare l’efficacia dei trattamenti e per valutare l’impatto delle diverse velocità di raffreddamento sulla microstruttura. Materiali di formatura: le caratteristiche finali di un getto dipendono fortemente dalla qualità e dalle proprietà della forma. Avanzati strumenti di analisi di immagine sono stati sfruttati per caratterizzare le sabbie da fonderia e l’effetto del trattamento di rigenerazione. Direzionalità della solidificazione: per evitare problematiche legate al ritiro dell’alluminio in fase di solidificazione, può essere utile modificare la velocità di raffreddamento in alcuni punti del getto. Le conchiglie di raffreddamento vengono utilizzate per accelerare la solidificazione nei punti in cui l’alimentazione può essere più difficoltosa, mentre polveri esotermiche possono essere poste sopra le materozze per mantenerle calde più a lungo.