ITRM940560A1

ITRM940560A1 - Metodo di calata in modelli non ricuperabili usando sabbia con prprpieta' termiche specifiche

Info

Publication number: ITRM940560A1
Application number: IT94RM000560A
Authority: IT
Inventors: Raymond J Donahue; Terrance M Cleary; William G Hesterberg; Terry C Holmgren
Original assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-03-02
Also published as: ITRM940560A0; DE4432150C2; FR2709690B1; JPH07164099A; IT1273037B; FR2709690A1; DE4432150A1; US5355931A; JP3128105B2

Abstract

Metodo per produrre pezzi di colata metallici di dimensioni prevedibili utilizzando un modello di materiale alveolare polimerico non ricuperabile insieme con sabbia non agglomerata avente proprietà termiche specifiche. Il modello, fatto di polistirene, ha una configurazione corrispondente all'articolo, da colare ed è posto in una staffa esterna circondato dalla sabbia non agglomerata che ne riempie le cavità. La sabbia ha una espansione lineare inferiore all'1% da 0°C a 1600°C, una diffusività termica maggiore di 1500 J/m2/°K/S½, un indice di finezza dei granelli AFS da 25 a 33 ed un indice di permeabilità di base AFS da 450 a 500. Un metallo fuso, viene alimentato nello stampo a contatto con il modello causandone la vaporizzazione, con il vapore intrappolato negli interstizi della sabbia, mentre il metallo fuso riempie lo spazio inizialmente occupato dal modello per produrre un articolo di colata. Le proprietà fisiche della sabbia consentono tolleranze più precise e prevedibili degli articoli.

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: METODO DI COLATA IN MODELLI NON RICUPERABILI USANDO SABBIA CON PROPRIETÀ TERMICHE SPECIFICHE

La colata in modelli non ricuperabili, anche nota come colata in materiale alveolare a perdere, è una nota tecnica di colata in cui un modello formato da un materiale alveolare polimerico, quale il polistirene o il polimetilmetacrilato, viene posto in una staffa e viene circondato da un materiale particellare non agglomerato, quale sabbia di silice. Quando il metallo fuso viene a contatto con il modello, il materiale alveolare si decompone con i prodotti di decomposizione che passano negli interstizi della sabbia, mentre il metallo fuso sostituisce i vuoti formati dal materiale alveolare non ricuperabile per produrre un pezzo di colata che è di configurazione identica al modello.

Nel processo di colata convenzionale in modelli non ricuperabili, la sabbia che circonda il modello e riempie le cavità del modello non è agglomerata ed è libera di fluire, e ciò differisce dai tradizionali processi di getto in forma di terra, in cui la sabbia viene utilizzata con vari tipi di agenti,·leganti. Tuttavia, dopo la costipazione, la densità della sabbia non agglomerata è sostanzialmente superiore alla densità delle forme fatte con sabbia agglomerata e pertanto la rigidità o la stabilità della sabbia non agglomerata compattata non è insufficiente relativamente alle forme di sabbia agglomerata. Tradizionalmente, la sabbia di silice è stata usata esclusivamente come materiale di stampaggio nella colata in modelli non ricuperabili, perché è facilmente disponibile ed economica.

Ci si è resi conto che un processo di colata convenzionale in un modello non ricuperabile è solo in grado di uguagliare la precisione della formatura a verde e non è stato considerato un processo di precisione di getto in forme di terra. Questa mancanza di precisione, per 'un processo che fa uso di forme di metallo per fabbricare modelli di materiale alveolare, è stata uno svantaggio del processo .

Nei monoblocchi dei cilindri per motori a combustione interna, gli assi degli alesaggi dei cilindri devono essere mantenuti entro una tolleranza specifica. Dopo la colata, gli alesaggi dei cilindri vengono lavorati contemporaneamente mediante apparecchiature 'di lavorazione automatizzate. Se gli assi degli alesaggi dei cilindri non rientrano nelle tolleranze specifiche, gli alesaggi non possono essere lavorati in maniera soddisfacente, con il risultato che il blocco del motore deve essere rottamato.

Nella colata di un blocco motore usando un processo di colata in materiale alveolare non ricuperabile, il modello del materiale alveolare comprende un certo numero di alesaggi cilindrici o cavità e nel processo di colata gli alesaggi vengono riempiti con la sabbia non agglomerata. Il ritiro del metallo fuso all'atto della solidificazione può essere accuratamente calcolato e pertanto i diametri degli alesaggi cilindrici nel modello vengono aumentati per riflettere il ritiro del metallo. Tuttavia, se la sabbia contenuta negli alesaggi non assorbe il ritiro del metallo fuso e resiste a questo ritiro, si ottiene un ritiro del metallo non prevedibile che causa una mancanza di precisione nei cilindri del monoblocco del motore.

Un esperto del ramo delle colate di metallo non si aspetta che la temperatura della sabbia abbia una influenza significativa sulle dimensioni dei pezzi di colata prodotti da uno dei processi di colata in forme di terra. La ragione principale di questa svista è dovuta al fatto che, ad eccezione del processo di colata in modelli non ricuperabili che fa uso di sabbia non agglomerata, i processi di getto in forme di terra impiegano forme di terra agglomerata che vengono usate a temperature ambiente semicontrollate rilevate sul pavimento della fonderia. L'economia di ottenere una capacità produttiva nella fonderia ed il costo del trasporto di un inventario inutilmente elevato di forme sul pavimento della fonderia dettano che le forme di sabbia agglomerata devono essere usate in modo sistematico con procedimenti dell'ultimo minuto. Di conseguenza, non è prassi delle fonderie riscaldare o raffreddare le forme di sabbia in un'area separata di "condizionamento" o di stabilizzazione e non si è ammesso che la temperatura della forma di sabbia abbia un effetto significativo sulle dimensioni o sulla tolleranza dei pezzi colati risultanti che vengono prodotti con le forme .

L'invenzione è diretta ad un metodo di colata in modelli non ricuperabili che utilizza un materiale di stampaggio di sabbia avente proprietà fisiche specifiche per produrre pezzi di colata aventi dimensioni o tolleranze più precise. L'invenzione ha particolare applicazione nella colata di blocchi motore per motori a combustione interna.

Nel metodo dell’invenzione viene prodotto un modello di materiale alveolare polimerico avente una configurazione corrispondente all'articolo da colare. Il modello di materiale alveolare è posto in una staffa ed una sabbia non agglomerata viene alimentata alla staffa che circonda il modello e riempie le cavità del modello.

La sabbia ha una diffusività termica maggiore di 1500 J/m<2>/°K/s3⁄4 ed una espansione lineare da 0°C a 1600°C inferiore all'1%. Sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio, sabbia di olivina e sabbia di carbonio hanno queste proprietà e sono esempi di sabbie che possono essere utilizzate. Inoltre, la sabbia dovrebbe avere un indice di finezza AFS (Associazione Fonditori Americani) da 25 a 33 ed un indice di permeabilità di base AFS da 450 a 500. L'indice di finezza dei granelli AFS è una misura delle dimensioni medie dei granelli derivata mediante calcolo dai risultati dell'analisi al vaglio, in cui la somma dei prodotti della frazione trattenuta in ciascun vaglio viene moltiplicata per la dimensione del vaglio precedente. La maggior parte delle sabbie da fonderia cade nel campo da 40 (grossolane) a 220 (fine). La permeabilità di base, espressa come indice <’>di permeabilità AFS, è la velocità in millimetri al minuto con cui l'aria passerà attraverso la sabbia sotto una condizione normale di pressione di 1 grammo/cm<2 >attraverso un provino avente un'area della sezione trasversale di 1 cm<2 >ed un'altezza di 1 cm.

Quando si producono per colata parti multiple, è importante controllare la temperatura della sabbia entro un campo specifico allo scopo di ottenere pezzi di colata dimensionalmente stabili o prevedibili. Per esempio, con monoblocchi dei Cilindri per motori a combustione interna, la sabbia in ciascuna operazione di colata dovrebbe essere mantenuta entro un campo di circa ±10°F, mentre quando si producono per colata altri articoli la temperatura in ciascuna operazione di colata dovrebbe essere mantenuta entro un campo di ±20°F.

Quando il modello di materiale alveolare viene messo a contatto con il metallo fuso, il modello si decomporrà ed i prodotti di decomposizione rimarranno intrappolati negli interstizi della sabbia non agglomerata, mentre il metallo riempirà lo spazio inizialmente occupato dal modello di materiale alveolare, producendo così un articolo di colata la cui configurazione corrisponde al modello del materiale alveolare.

È stato scoperto che l'uso di sabbia con proprietà termiche e fisiche specifiche darà origine a pezzi di colata di metallo dimensionalmente prevedibili .

Come ulteriore vantaggio, l'uso di sabbia con le proprietà sopra specificate produce un ritiro più uniforme del metallo colato all'atto della solidificazione, con il risultato di un coefficiente di variazione di ritiro inferiore al 45% a paragone con un coefficiente di variazione di ritiro pari a circa il 50% quando si usa sabbia di silice. La riduzione del coefficiente produce un pezzo di colata di dimensioni più precise.

Altri oggetti e vantaggi ‘appariranno nel corso della seguente descrizione.

I disegni illustrano il miglior modo attualmente contemplato per realizzare l'invenzione.

Nei disegni:

la Fig. 1 è un grafico che rappresenta l'espansione lineare di varie sabbie con la temperatura;

la Fig. 2 è un grafico che rappresenta la variazione delle dimensioni di un blocco motore a tre cilindri quando si usa sabbia di silice a temperature differenti;

la Fig. 3A comprende un gruppo di diagrammi che rappresentano le posizioni dell'asse centrale degli alesaggi dei cilindri di una pluralità di modelli di materiale alveolare non ricuperabili da usare nella colata di un blocco motore a V-6, le misure essendo prese all'estremità dell'albero a gomiti dell'alesaggio di ciascun cilindro;

la Fig. 3B comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 3A, che rappresentano le posizioni dell'asse centrale degli alesaggi dei cilindri in corrispondenza del segmento centrale longitudinale degli alesaggi dei cilindri;

- la Fig. 3C comprende una serie di .diagrammi simili a quelli della Fig. 3A, che rappresentano le posizioni dell'asse centrale in corrispondenza dell'estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri;

la Fig. 4A comprende una serie di diagrammi, che rappresentano le posizioni dell'asse centrale degli alesaggi dei cilindri di una pluralità di blocchi motore a V-6 di colata, prodotti attraverso l'uso di modelli di materiale alveolare non ricuperabili e di sabbia di silice ad una temperatura di 80°F (26,7°C), le misure essendo prese all'estremità dell'albero a gomiti dell'alesaggio dei cilindri;

la Fig. 4B comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 4A, le misure,essendo prese in corrispondenza del segmento centrale longitudinale dell'alesaggio dei cilindri;

la Fig. 4C comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 4A, le misure essendo prese in corrispondenza dell'estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri;

la Fig. 5A comprende una serie di diagrammi, che rappresentano le posizioni dell'asse centrale degli alesaggi dei cilindri di una pluralità di blocchi motore a V-6 di colata, prodotti attraverso l'uso di modelli di materiale alveolare non ricuperabili e di sabbia di carbonio ad una temperatura di 80°F (26,7°C), le misure essendo prese all'estremità dell'albero a gomiti dell'alesaggio dei cilindri;

la Fig. 5B comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 5A, le misure essendo prese in corrispondenza del segmento centrale longitudinale dell'alesaggio dei cilindri,-la Fig. 5C comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 5A, le misure essendo prese in corrispondenza dell'estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri;

la Fig. 6A comprende una serie di diagrammi, che rappresentano le posizioni dell'asse centrale degli alesaggi dei cilindri di una serie di blocchi motore a V-6 di colata, prodotti attraverso l'uso di modelli di materiale alveolare non ricuperabili e di sabbia di carbonio a 130°F (54,4°C), le misure essendo prese all'estremità dell'albero a gomiti dell'alesaggio dei cilindri? la Fig. 6B comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 6A, le misure essendo prese in corrispondenza del segmento centrale longitudinale dell'alesaggio dei cilindri; e

la Fig. 6C comprende una serie di diagrammi simili a quelli della Fig. 6A, le misure essendo prese ,in corrispondenza dell'estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri;

L'invenzione concerne un metodo di colata in modelli non ricuperabili che utilizza sabbia non agglomerata avente proprietà fisiche e termiche specifiche come un materiale di stampaggio.

Nel realizzare l'invenzione, un modello di materiale alveolare polimerico viene prodotto da un materiale quale il polistirene o il polimetilmetacrilato per ottenere un modello avente una configurazione corrispondente a quella dell'articolo da colare. Il modello di materiale alveolare a sua volta viene prodotto con procedure convenzionali usando stampi di metallo.

Come nella colata convenzionale di materiale alveolare non ricuperabile, il modello può essere rivestito con un materiale ceramico poroso che agisce per impedire una reazione metallo/sabbia e facilita la pulizia del pezzo di metallo colato. Il rivestimento ceramico si applica normalmente immergendo il modello in un bagno di tinta per ceramica, scaricando l'eccesso di tinta dal modello ed essiccando la tinta per realizzare il rivestimento ceramico poroso.

Il processo dell'invenzione può essere usato con qualsiaBi metallo desiderato o lega ed ha una applicazione particolare nella colata di leghe di alluminio, quali le leghe alluminio-silicio ipoeutettiche o ipereutettiche, oppure metalli ferrosi, quali ferro o acciaio di colata. In generale, le leghe di alluminio silicio ipereutettiche da utilizzare nell'invenzione contengono in peso dal 12% al 30% di silicio, da 0,4% a 5,0% di magnesio, fino allo 0,3% di manganese, fino a 1,4% di ferro, fino a 5,0% di rame e per il resto alluminio.

Esempi specifici di leghe di alluminio silicio ipereutettiche da utilizzare sono le seguenti, in percentuali in peso:

ESEMPIO 1

Silicio 16,90%

Ferro 0,92%

Rame 0,14%

Manganese 0,12%

Magnesio 0,41%

Alluminio 81,51%

ESEMPIO 2

Silicio 20,10%

Ferro 0,20%

Rame 0,33%

Manganese 0,18%

Magnesio 0,71%

Alluminio 78,40%

Le leghe di alluminio-silicio ipoeutettiche da utilizzare nell'invenzione contengono in peso meno del 12% di silicio, ed una lega comune di colata di sabbia contiene dal 6,5% al 7,5% in peso di silicio, dallo 0,25% allo 0,45% in peso di magnesio, fino allo 0,6% di ferro, fino allo 0,2% di rame, fino allo 0,25% di titanio, fino allo 0,35% di zinco, fino allo 0,35% di manganese e per il resto alluminio. Un'altra lega di alluminio-silicio ipoeutettica che può essere utilizzata nell'invenzione contiene dal 5,5% al 6,5% in peso di silicio, dallo 3,0% allo 4,0% in peso di rame, dallo 0,1% allo 0,5% in peso di magnesio, fino all'1,2% di ferro, fino allo 0,8% di manganese, fino allo 0,5% di nichel, fino al 3,0% di zinco, fino allo 0,25% di titanio e per il resto alluminio.

Esempi specifici di leghe di alluminiosilicio ipoeutettiche da utilizzare sono le seguenti, in percentuali in peso:

ESEMPIO 3

Silicio 7 , 10% Magnesio 0 , 31% Rame 0 , 05% Titanio 0 , 05% Zinco 0 , 10% Manganese 0 , 05% Alluminio 92 , 21%

ESEMPIO 4

Silicio 6,21% Rame 3,15% Magnesio 0,32% Ferro 0,80% Manganese 0,51% Nichel 0,34% Zinco 1,02% Titanio 0,20% Alluminio 87,35% Tradizionalmente sabbia di silice avente dimensioni dei granelli di approssimativamente 40 AFS è stata utilizzata come materiale di stampaggio nella colata in modelli non ricuperabili per il fatto che la sabbia di silice è facilmente disponibile ed economica. Attraverso lo sviluppo dell'invenzione, è stato scoperto che l'uso di sabbia di silice presenta certi svantaggi quando viene utilizzata in procedure di colata in modelli non ricuperabili che non erano stati finora accertati, ed è stato inoltre scoperto che il materiale di stampaggio a base di sabbia non agglomerata dovrebbe avere certe proprietà fisiche non ottenibili con la sabbia di silice allo scopo di ottenere pezzi di colata di precisione.

È stato scoperto che le proprietà fisiche della sabbia, in particolare le proprietà termiche, influenzano notevolmente la precisione del pezzo di colata quando si usano modelli di materiale alveolare non ricuperabili. Per ottenere un miglioramento della precisione nella colata, la sabbia dovrebbe avere una diffusività termica maggiore di 1500 J/m<2>/°K/s1⁄2 ed una espansione lineare da 0°C a 1600°C inferiore all'1%. Sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio, sabbia di carbonio e sabbia di olivina (una soluzione solida di forsterite, Mg2Si04 e fayalite, Fe2Si04) sono esempi di sabbie che hanno queste proprietà fisiche.

La sabbia dovrebbe anche avere una finezza dei granelli AFS (Associazione Fonditori Americani) da 25 a 33 e preferibilmente all'incirca 31 AFS, un indice di permeabilità di base AFS da 450 a 500 e preferibilmente all'incirca 475. La precedente dimensione specifica dei granelli è più grossolana di quella tradizionalmente usata nelle procedure di colata in materiale alveolare non ricuperabile. Come precedentemente osservato, la sabbia di silice, come utilizzata in passato in colate in materiale alveolare non ricuperabile, ha una dimensione dei granelli di circa 40 AFS. Oltre a ciò, la sabbia, come utilizzata nell’invenzione, ha una distribuzione delle dimensioni delle particelle ristretta o ridotta con una distribuzione minima da fine a grossolana. Ciò ha come conseguenza che la permeabilità della sabbia è sostanzialmente maggiore della permeabilità della sabbia come viene di solito utilizzata in processi di colata in materiale alveolare non ricuperabile, che normalmente ha un indice di permeabilità di base AFS di circa 300.

Un confronto delle proprietà fisiche della sabbia di cromite, della sabbia di carburo di silicio e della sabbia di silice è rappresentato nella seguente tabella.

La conduttività termica di un materiale è la quantità di calore che fluisce per unità di tempo attraverso l'area unitaria di una massa del materiale di spessore unitario, quando v'è una differenza di 1° nella temperatura ai capi delle facce opposte della massa. La velocità di variazione nel tempo della temperatura in ogni punto è proporzionale alla pendenza istantanea del gradiente di temperatura. La costante di proporzionalità è chiamata diffusività termica ed è definita come la conduttività termica divisa per la capacità termica volumetrica, dove la capacità termica volumetrica è il calore per unità di volume necessario ad innalzare la temperatura della massa di 1°.

La diffusività termica, d'altra parte, è una misura della velocità a cui lo stampo può assorbire calore ed è la radice quadrata del prodotto della conduttività termica, della densità e del calore specifico. Come tale, la diffusività termica è direttamente correlata alla velocità di solidificazione del metallo fuso.

È stato trovato che l'espansione lineare della sabbia con la temperatura è un fattore importante per ottenere prodotti di colata precisi e l'espansione lineare della sabbia dovrebbe essere minore dell'1% in un campo d temperature da 0°C a 1600°C e preferibilmente inferiore allo 0,75% in un campo di temperature da 0°C a 700°C. La Figura 1 è un grafico che rappresenta la variazione dell'espansione lineare della sabbia di silice, della sabbia di cromite e della sabbia di olivina con la temperatura. La curva della sabbia di silice rappresenta un incremento sostanziale dell'espansione quando la temperatura della sabbia di silice si avvicina ad approssimativamente 550°C. Dal grafico precedente si nota che la cromite e l'olivina non sono soggette ad una espansione brusca simile a quella della sabbia di silice.

L'importanza dell'espansione lineare appare quando si confronta la diffusività termica di un metallo di colata, quale una lega di alluminio, con quella della sabbia. La diffusività termica di una lega di alluminio è approssimativamente 6,2 x 10-5 m2/s, che è approssimativamente 150 volte maggiore della diffusività termica delle sabbie, come rappresentato nella Tabella I precedente. Ciò significa che la distanza media attraverso cui il calore fluisce in un dato tempo è approssimativamente 12 volte maggiore per la lega di alluminio che per la sabbia, con il risultato di un aumento di calore all'interfaccia sabbia/metallo, che causa l'espansione della cavità della forma di sabbia. Poiché il coefficiente di espansione termica della sabbia di silice è approssimativamente 4 volte maggiore di quello della sabbia di cromite, un eventuale incremento di temperatura nell'interfaccia metallo/sabbia causerà l'espansione della sabbia di silice in misura sostanzialmente maggiore della sabbia di cromite e pertanto produrrà una colata di dimensioni maggiori. Inoltre, poiché l'interfaccia metallo fuso/sabbia si è mossa verso l'esterno prima dell'avvio della solidificazione, il valore calcolato del ritiro ottenuto nella colata più grande darà origine ad un valore di ritiro apparentemente inferiore (e imprevedibile) per il metallo solidificato.

Come precedentemente osservato, la diffusività termica della sabbia è direttamente correlata alla velocità di solidificazione del metallo fuso. Dai dati di diffusività termica riportati nella Tabella I precedente, si vede che l'uso di sabbia di cromite dovrebbe far aumentare la velocità di solidificazione del metallo, vale a dire il tempo richiesto per passare tra le temperature dello stato liquido e dello stato solido, rispetto a quella quando si usa sabbia di silice, approssimativamente dal 26% al 56% a causa della maggiore diffusività termica della sabbia di cromite. Questo miglioramento della velocità di solidificazione in sé può non essere visto come un vantaggio economico fruttuoso, ma quando si considera insieme con la grande espansione che si verifica con la sabbia di silice a circa 550°C, si ottiene un sostanziale miglioramento della precisione dei pezzi di colata.

Nella colata di un blocco motore per un motore a combustione interna, il modello è formato da una pluralità di alesaggi cilindrici, che corrispondono ai cilindri del monoblocco di colata. Nella staffa, la sabbia non solo circonda il modello, ma anche riempie gli alesaggi creando così le anime di sabbia. Durante la colata, il metallo fuso si ritirerà quando solidifica. Se l'anima di sabbia non "cede" appena il metallo solidifica e si ritira attorno ad essa, si possono determinare sollecitazioni nella colata e si otterranno diametri imprevedibili negli alesaggi dei cilindri. In tal modo, la sabbia usata come anima dovrebbe consentire all'anima di seguire il ritiro del metallo che solidifica .

La Tabella seguente riassume misure ripetitive della media di venticinque differenti dimensioni critiche di un blocco motore complesso di un motore marino a tre cilindri e 60 HP, che fa uso di vari materiali di stampaggio a base di sabbia in un processo di colata in materiale alveolare non ricuperabile e usando la lega alluminio-silicio dell'Esempio 3 precedente. I risultati rappresentano che, quando si usa sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio oppure sabbia di carbonio, il ritiro della lega ha pressoché uguagliato la contrazione spontanea della lega, come riportato nella letteratura. Ciò è piuttosto sorprendente, perché i blocchi motore complessi, con grandi anime e prodotti in un processo di getto in forma di terra che fa uso di sabbia agglomerata, generalmente presentano fenomeni di contrazione più piccoli della contrazione spontanea della lega. La contrazione differente ha come conseguenza che si ritiene che la lega, come rappresentato nella Tabella II, sia il risultato di differenti gradi di costrizione da parte della forma di sabbia {e dall'anima) durante il raffreddamento. Si ammette che la durezza di stivatura della sabbia e la percentuale di agente legante nelle sabbie agglomerate chimicamente influenzi in modo significativo la contrazione. Sulla base di quanto sopra, la sabbia non agglomerata, nel processo di colata in materiale alveolare non ricuperabile, può essere vista come se possa intrinsecamente produrre meno costrizione durante il raffreddamento di quanto faccia la sabbia agglomerata e pertanto sia più sensibile ai fenomeni dell'espansione della forma per effetto dei metalli fusi di più elevato contenuto termico e/o per l'avviamento del processo di colata con sabbia riscaldata. Quest'ultimo fattore è riflesso chiaramente dai valori di ritiro nella lega di 0,00925 pollici per pollice e rispettivamente 0,007 pollici per pollice per sabbia di silice a 80°F e 160°F (26,7°C e 71,1°C). I blocchi motore fusi con dimensioni maggiori, che derivano dall'uso di sabbia di silice riscaldata, riflettono semplicemente l'espansione maggiore della forma di sabbia come conseguenza della temperatura più elevata della sabbia.

Dalla precedente tabella si può vedere che l'uso di sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio e sabbia di carbonio, ha avuto come risultato una velocità di .ritiro in pollici per pollice maggiore che quando si fa uso di sabbia di silice, consentendo così ad un'anima di sabbia non agglomerata di seguire più strettamente il ritiro della lega.

È ugualmente importante il fatto che l'uso della( sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio e sabbia di carbonio ha prodotto un coefficiente di variazione del ritiro nella colata di metallo sostanzialmente inferiore paragonato a quello dell'uso di sabbia di silice. Ciò significa che il ritiro in vari punti di misura era più uniforme ed aveva meno varianza di quello misurato quando si fa uso di sabbia di silice.

Misure ripetute su un blocco motore fuso di un motore marino da 3 litri e 250 HP hanno dato risultati simili. La sabbia di silice a temperatura ambiente, 80°F (26,7°C), ha fornito un valore di ritiro di 0,0094 pollici per pollice, mentre la sabbia di cromite a temperatura ambiente ha fornito un ritiro di 0,0118 pollici per pollice. Inoltre, la sabbia di silice a temperatura ambiente ha fornito una precisione, riflessa dal coefficiente di variazione (del ritiro), peggiore per più del 40% di quella ottenuta attraverso l'uso della sabbia di cromite. Questi risultati evidenziano ulteriormente che la sabbia di silice, come materiale di stampaggio, produce blocchi motore di dimensioni maggiori di quelli ottenuti usando sabbia di cromite. Oltre a ciò, la precisione ottenuta con sabbia di silice al crescere della temperatura della sabbia è significativamente minore della precisione ottenuta con sabbia di cromite. I risultati della prova indicano pure che le differenze di geometria tra un blocco motore V-6 ed un blocco a tre cilindri in linea non influenza materialmente i valori di ritiro ottenuti per i due differenti tipi di sabbia.

Le Figg. 3A - 6C illustrano il miglioramento della prevedibilità dimensionale ovvero della stabilità che si ottiene in un processo di colata di materiale alveolare non ricuperabile, come sopra delineato. Le Figg. 3A-3C rappresentano misure prese sugli assi centrali degli alesaggi di centotrentatre modelli incollati di polistirene da usare per la colata di blocchi motore V-6. I modelli sono stati prodotti per stampaggio ad iniezione usando stampi di metallo. Ciascun diagramma rappresenta le posizioni o le misure degli assi centrali degli alesaggi dei cilindri per i sei cilindri. Il cerchio al centro di ciascun diagramma rappresenta la tolleranza specificata di 0,031 pollici (circa 0,78 mm) . Più specificamente la Fig. 3A rappresenta le posizioni degli assi centrali nel segmento di materiale alveolare all'estremità dell'albero a gomiti per i sei alesaggi dei cilindri. La Fig. 3B è simile alla Fig. 3A e rappresenta le posizioni degli assi centrali degli alesaggi dei cilindri dei modelli di materiale alveolare prese in corrispondenza del segmento centrale longitudinale degli alesaggi, mentre la Fig. 3C rappresenta le misure degli assi centrali prese in corrispondenza dell'estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri dei modelli di materiale alveolare. L'allineamento e la congruenza delle posizioni degli assi centrali per i tre segmenti di materiale alveolare incollati è di capitale importanza .

Si può vedere dalle Figg. 3A-3C che gli assi centrali per tutti gli alesaggi dei cilindri dei modelli di materiale alveolare sono raggruppati molto strettamente all'interno del cerchio di tolleranza o dell'obiettivo. In tal modo, il lotto di modelli di materiale alveolare incollati, coperto da questi dati, è stato rappresentato dimensionalmente stabile e gli assi centrali degli alesaggi dei cilindri per virtualmente tutti i modelli cadono entro i limiti di tolleranza.

I diagrammi delle Figg. 4A-4C rappresentano le posizioni degli assi centrali degli alesaggi dei cilindri di centoundici blocchi motore ottenuti per colata. Nei dati delle Figg. 4A-4C sono stati usati i modelli di materiale alveolare del lotto provato nelle Figg. 3A-3C e ciascun modello di materiale alveolare è stato circondato nella staffa da sabbia di silice non agglomerata ad una temperatura di 80°F (26,7°C). La sabbia di silice ha una finezza dei granelli AFS (Associazione Fonditori Americani) di 31 ed un indice di permeabilità di base AFS di 475. Come metallo di colata è stato usato lega di alluminio 356.

La Fig. 4A rappresenta le posizioni degli assi centrali degli alesaggi dei cilindri dei blocchi motore ottenuti per colata all'estremità dell'albero a gomiti, mentre la Fig. 4B rappresenta le posizioni degli assi centrali in corrispondenza del segmento centrale longitudinale degli alesaggi dei cilindri, e la Fig. 4C rappresenta le posizioni degli assi centrali in corrispondenza delle estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri .

Come si vede nelle Figg. 4A-4C, le posizioni dell'asse centrale sono sparse in modo ampio, ben all'esterno del cerchio bersaglio, dando così origine a blocchi motore che non possono essere adeguatamente lavorati e che presentano una non completezza dopo l'operazione di lavorazione degli alesaggi dei cilindri. Pertanto, la maggior parte dei blocchi motore prodotti per colata con l'uso di sabbia di silice, come rappresentato nelle Figg.

4A-4C, hanno alesaggi dei cilindri che sono al di fuori della tolleranza specificata e non possono essere adeguatamente lavorati.

Le Figg. 5A-5C rappresentano i risultati di prove simili su una serie di quattordici blocchi motore v-6 prodotti per colata in materiale alveolare non ricuperabile e facendo uso di sabbia di carbonio a 80°F (26,7°C). La sabbia di carbonio aveva una finezza dei granelli AFS di 33 ed un indice di permeabilità di base di 450. Come nel caso dei dati rappresentati nelle Figg. 4A-4C, sono stati impiegati i modelli di materiale alveolare del lotto sottoposto a prova nelle Figg. 3A-3C ed i blocchi motore sono stati colati da una lega di alluminio 356 che è stata usata come lega di colata.

La Fig. 5A rappresenta le posizioni degli assi centrali degli alesaggi dei cilindri ottenuti per colata all'estremità del segmento dell'albero a gomiti, mentre la Fig. 5B rappresenta le posizioni degli assi centrali in corrispondenza del segmento centrale longitudinale degli alesaggi dei cilindri, e la Fig. 5C rappresenta le posizioni degli assi centrali in corrispondenza delle estremità del segmento della calotta degli alesaggi dei cilindri dei blocchi .

Le Figg. 6A-6C rappresentano le posizioni degli assi centrali degli alesaggi dei cilindri dei blocchi motore ottenuti-per colata tacendo uso di una procedura di colata uguale a quella delle Figg.

5A-5C, ad eccezione che la sabbia di carbonio è a temperatura di 130°F (54,4°C).

Quando i dati rappresentati nelle Figg.

5A-5C e 6A-6C vengono confrontati con le posizioni vere degli assi centrali degli alesaggi per i modelli di materiale alveolare, come rappresentato nelle Figg. 3A-4C, si ha che le posizioni degli assi centrali dei modelli di materiale alveolare e quelle dei pezzi di colata risultanti possono per lo più sovrapporsi tra loro, indicando una eccellente prevedibilità dimensionale da,parte a parte. Oltre a ciò, le dispersioni delle misure degli assi centrali dei blocchi motore delle Figg. 5A-5C e 6A-6C sono solo una frazione delle dispersioni delle misure degli assi centrali rappresentate nelle Figg. 4A-4C che usano sabbia di silice. Inoltre, i dati per la sabbia di carbonio a temperatura superiore, Figg. 6A-6C, e la sabbia di carbonio a temperatura inferiore, Figg. 5A-5C, non presentano grandi differenze relativamente alla dispersione o alla precisione.

Questi dati indicano in conclusione che l'uso di sabbia avente le proprietà fisiche specificate, come precedentemente delineato, produce pezzi di colata più precisi e prevedibili in un processo di colata in materiale alveolare non ricuperabile rispetto a quelli ottenuti in un processo simile utilizzando sabbia di silice.

È stato anche trovato che la perdita di ermeticità dei blocchi motore ottenuti per colata e prodotti con un processo di colata di materiale alveolare non ricuperabile convenzionale usando sabbia di silice differisce a seconda della temperatura della sabbia. Come esempio, l'ammontare di questa perdita per un blocco motore di alluminio a tre cilindri in linea, prodotto in un processo di colata di materiale alveolare non ricuperabile usando sabbia di silice alla bassa temperatura di 80°F (26,7°C), è tre volte quella osservata quando si usa sabbia di silice alla temperatura più elevata di 130°F (54,4°C). Tuttavia, è stato trovato che la sabbia di silice a 130°F (54,4°C) non può essere usata con successo nella colata o di un blocco a tre cilindri in linea o di un blocco V-6, perché la sabbia riscaldata produrrà una colata di dimensioni maggiori, il che è inaccettabile. In tal modo, nei processi di fabbricazione commerciali è stata in pratica usata sabbia di silice ad una temperatura di circa 80°F (26,7°C). A causa del tasso di perdite incrementato con la sabbia di silice a bassa temperatura, è stato pertanto necessario impregnare il blocco ottenuto per colata, qualche volta per tre volte, con un sigillante quale la Lottite per consentire al blocco ottenuto per colata di superare i requisiti di perdita di ermeticità. Contrariamente a ciò, l'invenzione, che sfrutta una temperatura della sabbia di 120°F (48,9°C) o superiore avente le proprietà fisiche sopra menzionate, produce blocchi motore a tenuta di perdite o nel progetto dei tre cilindri in linea o nel progetto V-6 ed entrambi i progetti sono dimensionalmente prevedibili senza esempi di mancanza di rifiniture in uno degli alesaggi dopo la lavorazione.

Come ulteriore vantaggio, il metodo dell'invenzione consente di produrre pezzi di colata più complicati sotto forma di parti integrali. Per esempio, quando si effettua la colata di un blocco motore V-6, il collettore di scarico con la sua piastra di divisione e la sua piastra della calotta può essere colato come parte integrale del blocco motore ottenuto per colata, riducendo così i costi di fabbricazione totali. Per ottenere la stessa stabilità dimensionale raggiunta dall’invenzione, un blocco motore V-6 dovrebbe essere fabbricato in un processo di colata che fa uso di sabbia agglomerata di precisione ed in tale processo il blocco motore verrebbe colato separatamente dalla piastra di divisione del collettore di scarico e dalla calotta, richiedendo così spese addizionali di lavorazione separata con utensili per la piastra di divisione e per la calotta.

Non solo sono importanti le proprietà termiche della sabbia per ottenere pezzi di colata di precisione, ma è stato anche trovato che la temperatura della sabbia influenza la colata. Per esempio, nelle condizioni invernali in fonderia, la temperatura della sabbia può essere compresa nel campo da 18,3°C (65°F) a 29,4°C (85°F). In estate, quando la temperatura ambiente può arrivare fino a 32,2°C (90°F) o più, la temperatura della sabbia può essere compresa nel campo da 29,4°C (85°F) a 40,5°C (105°F). A causa della temperatura più elevata della sabbia in estate, i pezzi di colata avranno dimensioni leggermente maggiori dei pezzi di colata prodotti in inverno con la sabbia ad una temperatura inferiore. Pertanto, per compensare questa differenza di dimensioni nella parte ottenuta per colata, le dimensioni dei modelli di materiale alveolare non ricuperabili possono essere regolate. Le dimensioni del modello possono essere variate invecchiando i granuli di plastica prima dello stampaggio, oppure invecchiando le parti stampate dopo lo stampaggio, oppure scegliendo un altro tipo di granulo di materiale alveolare. In tal modo, invecchiando in maniera appropriata o selezionando i granuli, si può ottenere un modello più grande che può essere usato in inverno per compensare la temperatura inferiore della sabbia, dando così origine a parti di colata che hanno le stesse dimensioni non tenendo conto della temperatura stagionale della sabbia nell' ambiente.

La Fig. 2 illustra ulteriormente l'importanza della temperatura della sabbia sulla precisione della colata. La Fig. 2 è una curva che rappresenta le misure medie delle dimensioni di un blocco motore in pollici in funzione della temperatura della sabbia di silice non agglomerata usata in un processo di colata in modelli non ricuperabili. Il blocco motore è stato ottenuto per colata da una lega alluminio-silicio ipoeutettica avente la composizione dell'Esempio 3 precedente. Come si vede nella Fig. 2, le dimensioni medie del blocco motore, quando si fa uso di sabbia alla temperatura ambiente di 80°F (26,7°C), erano di 9,53 pollici (24,2 cm). Quando la temperatura della sabbia venne incrementata a 160°F (71,1°C), le dimensioni medie del blocco si incrementarono pure ad un valore di circa 9,59 pollici (24,35 cm), ovvero un incremento di 0,06 pollici (0,15 cm).

Mentre la curva precedente rappresenta la differenza delle dimensioni ottenute facendo uso di sabbia di silice a varie temperature, simili risultati di espansione, sebbene più piccoli per un fattore approssimativamente pari a quattro, si ottengono usando sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio, oppure sabbia di carbonio, indicando così che la temperatura della sabbia è un fattore per ottenere pezzi di colata di dimensioni precise.

È anche importante il controllo della temperatura della sabbia entro un campo specifico da parte colata a parte colata. Per ottenere una precisione dimensionale, la temperatura della sabbia dovrebbe essere mantenuta entro un campo specifico quando si effettua la colata di un gruppo o di un certo numero di parti. Per esempio, quando si effettua la colata di blocchi motore, la temperatura della sabbia per ciascun pezzo colato dovrebbe essere mantenuta entro un valore di ±10°F (±18°C), mentre per altri articoli la sabbia dovrebbe essere mantenuta per ciascun pezzo colato entro un campo di 20°F (±3S°C).

Durante la colata, la temperatura della sabbia verrà di solito incrementata ad un valore di circa 200°F (93,3°C) e la sabbia viene quindi inviata ad un dispositivo di raffreddamento ed il flusso della sabbia attraverso questo dispositivo di raffreddamento viene controllato per mantenere la sabbia entro il precedente campo specifico per la successiva operazione di colata.

L'invenzione si basa sulla scoperta che pezzi di colata più precisi possono essere prodotti in un processo di colata in un modello non ricuperabile utilizzando sabbia avente proprietà fisiche e termiche specifiche e controllando la temperatura della sabbia ovvero correlando la temperatura Ila sabbia con le dimensioni del modello.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per produrre pezzi di colata metallici di dimensioni prevedibili, comprendente le fasi di formazione di un modello di materiale alveolare polimerico non ricuperabile avente una configurazione corrispondente a quella dell’articolo da ottenere per colata, posizionamento del modello in assetto spaziato da una staffa esterna e disposizione di una prima quantità di sabbia non agglomerata nella staffa circondante il modello, detta sabbia avendo una diffusività maggiore di 1500 J/m2/°K/s1⁄2, una espansione lineare da 0°C a 1600°C inferiore all'1%, un indice di finezza dei granelli AFS (Associazione Fonditori Americani) da 25 a 33 ed un indice di permeabilità di base AFS da 450 a 500, messa a contatto del modello con un metallo fuso per decomporre il materiale polimerico con i prodotti di decomposizione che rimangono intrappolati negli interstizi della sabbia, solidificazione del metallo fuso per produrre un articolo di colata e rimozione dell'articolo di colata dallo stampo.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente le fasi di formazione di un secondo modello avente una configurazione corrispondente a detto' articolo e posizionamento di detto secondo modello in una seconda staffa, disposizione di una seconda quantità di sabbia nella seconda staffa attorno a detto secondo modello, mantenimento della temperatura di detta seconda quantità di sabbia entro 20°F della temperatura della prima quantità di detta sabbia, e messa a contatto del secondo modello con un metallo fuso e solidificazione di detto metallo fuso per produrre un secondo articolo di colata.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente la fase di mantenimento della temperatura sia della prima quantità sia della seconda quantità di sabbia nel campò da 100°F a 120°F (37,8°C a 48,9°C).
4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il materiale polimerico viene scelto dal gruppo costituito da polistirene e polimetilmetacrilato.
5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la sabbia viene scelta dal gruppo costituito da sabbia di cromite, sabbia di carburo di silicio, sabbia di olivina, sabbia di carbonio e loro miscele .
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di messa a contatto del modello con un metallo fuso comprende la messa a contatto del modello con una lega di alluminio silicio ipereutettica contenente più del 12% di silicio.
7. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di messa a contatto del modello con un metallo fuso comprende la messa a contatto del modello con un metallo ferroso.
8. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta sabbia ha una espansione lineare da 0°C a 700°C inferiore allo 0,75%.
9. Metodo per produrre blocchi motore di dimensioni prevedibili per un motore a combustione interna, comprendente le fasi di formazione di un modello di materiale alveolare polimerico non ricuperabile avente una configurazione corrispondente ad un blocco motore da ottenere per colata, posizionamento del modello in assetto spaziato da una staffa esterna, disposizione di sabbia non agglomerata nella staffa circondante il modello e nell'alesaggio, detta sabbia avendo una diffusività termica maggiore di 1500 J/m<2>/°K/s1⁄2, una espansione lineare da 0°C a 1600°C inferiore all'1%, un indice di finezza dei granelli AFS (Associazione Fonditori Americani) da 25 a 33 ed un indice di permeabilità di base AFS da 450 a 500, messa a contatto del modello con un metallo fuso per decomporre il materiale polimerico con i prodotti di decomposizione che rimangono intrappolati negli interstizi della sabbia, solidificazione del metallo fuso per produrre un blocco motore di colata comprendente almeno un alesaggio di un cilindro, rimozione del blocco dalla staffa e quindi lavorazione dell’alesaggio del cilindro.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui il metallo fuso è una lega di alluminio.