LEGHE DI ALLUMINIO Franco Bonollo

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LEGHE DI ALLUMINIO Franco Bonollo
LEGHE DI ALLUMINIO
Franco Bonollo
Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali,
Università di Padova – Sede di Vicenza
INDICE
1. INTRODUZIONE
2. LEGHE DI ALLUMINIO DA FONDERIA
3. LEGHE DA DEFORMAZIONE PLASTICA
3.1. Leghe da deformazione non trattabili termicamente
3.2. Leghe da deformazione trattabili termicamente
3.3. Alliganti meno importanti ed impurità
3.4. Classificazione dei prodotti estrusi
BIBLIOGRAFIA
APPENDICE
1. INTRODUZIONE
La classificazione convenzionalmente riportata per le leghe di Alluminio è quella, illustrata in
Figura 1.1., che le raggruppa a seconda delle tecnologie di lavorazione e di trattamento cui
vengono sottoposte:
- fonderia,
- deformazione plastica (laminazione, estrusione, forgiatura).
Una ulteriore suddivisione è possibile per le leghe da deformazione plastica, a seconda che siano o
meno trattabili termicamente (intendendo per trattamento termico quello di solubilizzazione,
tempra e invecchiamento, naturale o artificiale).
Fig. 1.1 – Tipologie produttive di leghe di alluminio
I meccanismi che, dal punto di vista metallurgico, conducono ad un rafforzamento delle leghe di
alluminio sono essenzialmente (Figura 1.2):
• soluzione di elementi allo stato solido nella matrice di alluminio: mentre la totalità dei
metalli ha una completa miscibilità allo stato liquido con l’alluminio nessun elemento ha una
totale solubilità allo stato solido; a parte il caso dello zinco la cui solubilità massima è di
66,4%, i valori della stessa sono superiori al 10% nel caso dell’argento, del magnesio e del
litio, sono compresi tra 1% e il 10% con il rame, il silicio, il gallio e il germanio, mentre gli
altri elementi sono impiegati con percentuali inferiori all’1%.
• deformazione plastica a freddo: l’indurimento tramite lavorazione a freddo è possibile solo
in leghe in cui può avvenire l’incrudimento e che in seguito saranno definite da trasformazione.
Lo strain hardening è la conseguenza della maggiore parte delle operazioni di lavorazione e
formatura nell’alluminio e nelle sue leghe. Nell’alluminio puro e nelle leghe non trattabili
termicamente come le leghe alluminio-manganese e alluminio-magnesio, l’indurimento per
deformazione aumenta la resistenza dovuta alla soluzione solida e alla dispersione di alliganti.
Nelle leghe trattabili termicamente, invece, l’incrudimento migliora la risposta
•
all’invecchiamento. Molto spesso i prodotti della deformazione a freddo sono ricotti per
riprendere una certa duttilità e per eliminare le tensioni interne.
precipitazione: meccanismo successivo ad una tempra di soluzione; l’indurimento e il
rafforzamento della lega di alluminio sono dovute all’invecchiamento, naturale o artificiale
della lega, durante il quale avviene la formazione di precipitati coerenti nella soluzione solida.
Fig. 1.2 – Classificazione generale delle leghe di alluminio
2. LEGHE DI ALLUMINIO DA FONDERIA
Sono svariate le famiglie di leghe di alluminio da fonderia. La Figura 2.1 presenta l’attuale
classificazione di tali leghe, secondo le Norme EN 1706 e 1780. La designazione statunitense è
costituita invece da una serie di codici a due o tre cifre che individuano le famiglie di leghe in base
agli alliganti principali, come si può vedere in Tabella 2.1.
Serie
Da 1 a 99
1xx
2xx
3xx
Famiglia di leghe
Al-Si
Al-Cu
Al-Mg
Al-Si
Serie
4xx
5xx
6xx
7xx
Famiglia di leghe
Al-Mn
Al-Ni
Al-Zn
Al-Sn
Tabella 2.1: Sistema di designazione delle leghe da fonderia in uso negli USALa definizione e la scelta della composizione sono comunque funzione degli effetti che ciascun
elemento è in grado indurre sul comportamento tecnologico della lega (variazioni dell’intervallo di
solidificazione, della viscosità e della fluidità, della contrazione volumetrica, interazioni con i
materiali costituenti lo stampo o la forma, ecc.) e su microstruttura e caratteristiche meccaniche
finali del getto.
Fig. 2.1 – Classificazione delle leghe di Alluminio da fonderia secondo EN 1780 e EN 1706.
Le principali famiglie di leghe da fonderia sono comunque le seguenti:
• Al-Cu;
• Al-Cu-Si;
• Al-Si;
• Al-Mg.
Per ogni famiglia, si illustrano le caratteristiche principali e gli utilizzi più frequenti.
Al-Cu: tale gruppo di leghe è caratterizzato da un tenore di rame compreso nell’intervallo 5-13%.
In particolare, le leghe Al-Cu-Si hanno un buon impiego, visto che l’aggiunta di silicio migliora la
colabilità, induce migliori proprietà meccaniche e diminuisce il peso specifico della lega, anche se
la duttilità diminuisce. Le leghe Al-Cu-Si, con un tenore di rame intorno a 4-5%, sono trattabili
termicamente e presentano buone proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione oltre ad una
diminuzione del peso specifico. La lega Al-Cu-Mg, con percentuale di rame vicina a 10% e di
magnesio intorno allo 0,2%, vengono spesso utilizzate nella realizzazione di pistoni per motori a
combustione interna, mentre per incrementare la resistenza ad elevate temperature, caratteristica
richiesta, per esempio, in pistoni per motori diesel oppure in teste di cilindri raffreddati ad aria di
motori per aerei, viene aggiunta alla lega Al-Cu-Mg una quantità di nichel (si consideri a questo
proposito la lega 4Cu2Ni1,5Mg).Per disporre di particolari proprietà meccaniche, per i getti
destinati all’industria aerospaziale, sono state in passato sviluppate le leghe Al-Cu-Ag-Mg.
Al-Cu-Si: gli elementi chimici di base sono presenti, in tale famiglia, secondo varie
concentrazioni, dando origine a leghe dalle caratteristiche in parte differenti. Infatti, alti tenori di
rame incrementano la resistenza meccanica, mentre alte percentuali di silicio aumentano la
colabilità e diminuiscono la fragilità a caldo della lega. In particolare, per evitare problemi di hot
cracking, è auspicabile usare una lega ad alto contenuto di silicio. Inoltre, se il silicio è impiegato
in quantità superiori al 10% si ha una bassa espansione termica della lega, e ciò suggerisce una sua
utilizzazione alle alte temperature, mentre se il contenuto supera il 12% si possono formare dei
cristalli che rendono la lega adatta alla fabbricazione di blocchi motori, vista la buona resistenza
all’usura. Le leghe Al-Cu-Si sono trattabili termicamente e invecchiabili.
Al-Si: tali leghe (Figura 2.2) sono certamente le più importanti e le più diffuse. Il silicio assicura
una eccellente colabilità, un’alta resistenza alla corrosione, una buona saldabilità, una diminuzione
del peso specifico. L’effetto particolarmente benefico del Si sulla fluidità delle leghe di Alluminio
è illustrato in Figura 2.3, ed è tanto più evidente quanto più le composizioni sono prossime
all’eutettico (12-13%); leghe ad alto tenore di alluminio, pur assicurando una buona fluidità, non
presentano invece caratteristiche meccaniche soddisfacenti. La tipica struttura di solidificazione di
leghe Al-Si ipoeutettiche è illustrata in Figura 2.4: sono evidenti le dendriti della fase primaria ,
ricca in alluminio, circondate dall’eutettico Al-Si. Va peraltro considerato che, nella maggior parte
delle leghe commerciali, la composizione non è certo binaria, e possono essere facilmente presenti
composti intermetallici ed eutettici complessi, ternari o quaternari (Figura 2.5).
Piccole quantità di magnesio migliorano le caratteristiche meccaniche e la resistenza alla
corrosione, e consentono l’effettuazione di trattamenti di invecchiamento. Il gruppo di leghe AlMg-Si può contenere rame, che consente una maggiore resistenza meccanica e migliora la risposta
ai trattamenti termici, ed è in genere impiegato per blocchi cilindri in motori a combustione interna
o per la voluta dei compressori nei motori a reazione.
Con alti tenori di silicio si formano, nella lega sia ipoeutettica (Si<13%), sia ipereutettica
(Si>13%), dei cristalli, la cui forma può essere cambiata, da aciculare a globulare, per migliorare
tenacità e duttilità. Tale fenomeno è possibile grazie ad un processo metallurgico, detto modifica,
nel quale, opportune aggiunte di sodio, calcio, stronzio, antimonio influenzano il meccanismo di
solidificazione eutettica, favorendo la formazione di silicio con morfologia sferoidale.
Fig. 2.2 – Diagramma di stato Alluminio-Silicio
Fig. 2.3 – Fluidità (mm, asse y) al variare della % di Silicio (asse x) in leghe Al-Si.
Fig. 2.4 – Microstruttura tipica di una lega Al-Si ipoeutettica.
Fig. 2.5 – Microstruttura tipica di una lega Al-10%Si-1%Cu.
Al-Mg: le leghe appartenenti a tale famiglia sono impiegate in strutture nelle quali è importante
l’estetica oppure quando queste sono immerse in agenti corrosivi (come l’acqua marina). Infatti
tali leghe offrono una buona resistenza alla corrosione, soprattutto in assenza di impurità e in
seguito a trattamento termico con tempra in olio caldo. La tendenza naturale all’ossidazione e la
bassa colabilità portano a porre particolare attenzione in fase di progettazione dei dispositivi di
colata.
Nella Tabella 2.2 è sintetizzato invece il ruolo degli alliganti minori.
Berillio
viene impiegato in quantità comprese tra 0,02% e 0,2% sia in leghe
alluminio-silicio-magnesio, sia in leghe alluminio-magnesio per
migliorare le proprietà tensili e nelle ultime anche per ridurre i
problemi di ossidazione
Bismuto, Cadmio, Piombo sono elementi considerati indesiderabili nelle leghe da fonderia,
e Stagno
tuttavia, se utilizzati in percentuali inferiori all’1% in alcune leghe
(310, 385), migliorano la lavorabilità alla macchina utensile
Cromo e Manganese
sono impiegati in piccole quantità (meno dell’1%) e spesso assieme
per migliorare le proprietà tensili alle alte temperature, nelle leghe
alluminio-ferro-silicio, alterano la forma dei costituenti, migliorando
le proprietà meccaniche a temperatura ambiente
Ferro
non è quasi mai usato in quantità superiori all’1% perché un suo
maggiore utilizzo penalizza le proprietà meccaniche; nelle leghe AlMg, la percentuale non supera lo 0,5% per evitare una penalizzazione
delle proprietà tensili
Nichel
l’introduzione del nichel al 2,5% aumenta le proprietà tensili ad
elevate temperature
Fosforo
un impiego di tale elemento in percentuali comprese tra 0,01 e 0,03%
è possibile nel rifinire la forma delle particelle di silicio nelle leghe
alluminio-silicio ipereutettiche
Sodio e Calcio
sono elementi che causano il meccanismo di modifica dei cristalli di
silicio nelle leghe Al-Si; per tale scopo si utilizzano sodio e calcio in
quantità comprese tra 0,001 e 0,003%.
Titanio, Boro e Zirconio
il titanio è presente, in quantità comprese tra 0,05 e 0,2% per ottenere
il raffinamento del grano in leghe da fusione sia in sabbia sia in
stampo permanente; il boro e lo zirconio sono utilizzati con lo stesso
scopo, anche se in percentuali diverse rispetto al titanio
Tabella 2.2 – Effetto di alliganti minori e impurezze sulle leghe di alluminio da fonderia
3. LEGHE DA DEFORMAZIONE PLASTICA
Il sistema di designazione, promosso dall’Aluminum Association nel 1954, suddivide le leghe da
deformazione plastica in base al principale elemento alligante, come riportato nella Tabella 3.1.
La designazione prevede che ad ogni lega venga associato un codice a quattro cifre: la prima cifra
individua la classe, la seconda serve per esprimere lo scostamento dalla lega originaria, mentre le
ultime due cifre identificano una specifica lega all’interno di una stessa famiglia (o il grado di
purezza dell’alluminio se si tratta della famiglia delle 1xxx). Come per le leghe da fonderia, anche
per le leghe in questione si fanno seguire, al codice a quattro cifre, dei caratteri alfa-numerici che
indicano il tipo di trattamento termo-meccanico eseguito.
Tali leghe sono disponibili in commercio sotto forma di lamiere, estrusi, piatti, tubi, barre e fili;
tali prodotti derivano da placche o billette alle quali vengono applicate delle lavorazioni primarie e
secondarie che fanno loro conferire una struttura completamente ricristallizzata o frammentata,
tipica di ogni lega e prodotto, e influenzano così le proprietà meccaniche e fisiche della stessa.
Serie
1xxx
2xxx
3xxx
4xxx
Alligante
principale
Alluminio puro
Rame
Manganese
Silicio
Serie
5xxx
6xxx
7xxx
8xxx
Alligante
principale
Magnesio
Silicio e Magnesio
Zinco
Varie
Tabella 3.1: Sistema di designazione delle leghe da deformazione plastica
3.1. Leghe da deformazione non trattabili termicamente
Le leghe appartenenti a tale categoria devono il loro rafforzamento alla soluzione allo stato solido
degli alliganti nella matrice di alluminio e alla formazione di seconde fasi e composti intermetallici
nel caso si sia in presenza di elementi che hanno bassa solubilità con l’alluminio, come ferro,
nichel, titanio, manganese e cromo. A tali meccanismi deve essere aggiunto lo strain hardening,
cioè l’insieme di tutte le lavorazioni che inducono una deformazione sul getto ricotto (allo stato
O), facendogli conferire sia la forma desiderata, sia una struttura cristallina tale da indurre
determinate proprietà meccaniche
Le principali famiglie di leghe da deformazione non trattabili termicamente sono le seguenti.
1xxx: l’alluminio ai vari gradi di purezza (si parte da un alluminio puro al 99,00% per arrivare a
valori maggiori) è impiegato i campi che non richiedono proprietà meccaniche particolari, ma nei
quali è importante la resistenza alla corrosione come in attrezzature per processi chimici, in
impieghi strutturali, o nel rivestimento di leghe trattabili termicamente. L’alluminio ad elevata
purezza è, però, principalmente utilizzato in settori che sfruttano la buona conducibilità elettrica e
termica: nei conduttori elettrici e negli scambiatori di calore. La resistenza di tali leghe è
fortemente influenzata dalla presenza di impurità: di solito nella composizione chimica si trovano
tracce di ferro e silicio.
3xxx: le leghe appartenenti a tale raggruppamento hanno solo in minima parte come alligante
principale il manganese, visto che tale elemento ha una solubilità nell’alluminio molto bassa (al
massimo 1,5%). Le leghe in questione sono la 3003, 3x04 e la 3105, indurite per dispersione,
particolarmente impiegate in applicazioni nelle quali non vengono richieste proprietà meccaniche
di rilievo (scambiatori di calore, applicazioni strutturali, scatolame). Per raggiungere livelli di
resistenza maggiori, in tali leghe, al manganese deve essere aggiunta una certa percentuale di
magnesio; le leghe Al-Mn-Mg hanno, infatti, buone resistenze meccanica e alla corrosione, oltre a
una considerevole formabilità.
5xxx: l’alligante principale di tale famiglia di leghe è il magnesio impiegato, in percentuali
variabili a seconda dell’impiego successivo della lega. Una quantità superiore al 10%, determina
una lega, rafforzata per soluzione solida, caratterizzata da una resistenza a trazione prossima a 358
MPa e da un carico di snervamento dell’ordine di 165MPa.Tali valori diminuiscono
considerevolmente se la quantità di magnesio è minore. Le leghe con una percentuale di magnesio
compresa tra 1 e 5% hanno un’ampia diffusione, mentre quelle con il 3% sono caratterizzate da
una buona stabilità strutturale sia a temperatura ambiente, sia a temperatura elevata. In realtà sono
poche le leghe binarie appartenenti a tale famiglia in quanto vengono spesso aggiunti degli
elementi che incrementano la durezza della lega dovuta alla dispersione: si tratta di cromo,
manganese, titanio, impiegati in percentuali comprese tra 0,25 e 1%. I prodotti delle lavorazioni
sono spesso disponibili allo stato ricotto (O), oppure in uno degli stati base H1, H2, H3 che
migliorano, in molte leghe, la stabilità delle proprietà oppure la resistenza alla corrosione. Nelle
leghe 5083, 5086, 5456 si hanno molti precipitati a bordo grano e ciò rende la lega suscettibile a
rotture per fatica o dovute alla corrosione, soprattutto in seguito a trattamenti di indurimento per
deformazione. Per ridurre tale instabilità si sono sviluppati particolari trattamenti indicati con la
sigla H3xx. La resistenza alla corrosione, la buona saldabilità e le alte resistenze portano a
utilizzare le leghe alluminio-magnesio nel settore dei trasporti, nelle strutture, nel campo militare
per usi che richiedono buone proprietà balistiche e criogeniche. Le leghe con sigla 5x57, 5005 o
5050 sono spesso usate per la realizzazione di carrozzerie per l’auto perché, oltre ad avere una
buona resistenza meccanica, permettono un grado di finitura superficiale e di lucentezza che le
rende adatte a tale utilizzo.
7xxx: le leghe appartenenti a tale gruppo non trattabili termicamente sono utilizzate, in primo
luogo, come rivestimento per altri tipi di leghe; si ricorda a questo proposito la lega 7472.
8xxx: si raccolgono in tale famiglia le leghe con varia composizione, come la 8001 Al-Ni-Fe
utilizzata in applicazioni che sfruttano l’energia atomica, oppure in campi in cui si richiedono
pressioni e temperature elevate. La lega 8280 Al-Sn-Ni-Cu è impiegata per la costruzione di
cuscinetti.
3.2 Leghe da deformazione trattabili termicamente
I trattamenti che sono applicati alle leghe in questione sono gli stessi (riportati in Appendice),
validi per le leghe da fonderia. Le leghe appartenenti a tale categoria, oltre a presentare una
solubilità che diminuisce con il diminuire della temperatura, hanno una concentrazione di alligante
maggiore rispetto a quella richiesta per una soluzione solida in equilibrio a temperatura ambiente o
moderatamente alta. L’invecchiamento, che permette il rafforzamento e l’indurimento della lega, si
basa sulla formazione di clusters, coerenti con la fase solvente, che consentono una migliore
distribuzione delle tensioni all’interno del materiale, e che ostacolano o bloccano il movimento
delle dislocazioni. L’invecchiamento, naturale o artificiale, segue il trattamento termico di
solubilizzazione e tempra.
A parte alcune eccezioni, la maggior parte delle leghe in questione è di tipo ternario o quaternario
e appartiene alle famiglie 2xxx, 6xxx e 7xxx.
2xxx: l’alligante principale è il rame, però le leghe importanti di tale famiglia hanno una
secondaria aggiunta di magnesio. Le proprietà meccaniche, strettamente influenzate
dall’invecchiamento, sono pari e in qualche caso maggiori rispetto a un acciaio a basso contenuto
di carbonio: il trattamento termico consente di applicare carichi maggiori, anche se l’allungamento
e la resistenza a trazione non subiscono sostanziale cambiamenti. La resistenza a corrosione non è
buona: spesso si ricorre a rivestimenti con uno strato di alluminio super-puro oppure con la lega
6xxx; si può avere sotto particolari condizioni una corrosione intergranulare. Solo la lega binaria
2219 è dotata di buona resistenza a corrosione; la 2219 si distingue anche per mantenere le
proprietà meccaniche a temperature elevate e per la sua eccellente saldabilità. Si deve ricordare la
lega 2011, anch’essa binaria, per l’ottima lavorabilità alla macchina utensile, possibile per la
presenza, come impurità, di piombo e bismuto. La maggior parte delle leghe 2xxx è utilizzata per
impieghi che richiedono elevati rapporti resistenza-peso: sono quindi indicate per la costruzione di
carrelli per aerei, per le fusoliere e per tutti i componenti soggetti a temperature elevate (fino a
150°C) e a cui sono richieste buone caratteristiche meccaniche.
6xxx: le leghe alluminio-magnesio-silicio devono il loro rafforzamento al meccanismo di
precipitazione del composto intermetallico Mg2Si. Le leghe 6xxx sono spesso sottoposte ad un
trattamento termico di solubilizzazione e, in seguito alla formatura, sono soggette ad un
trattamento termico di precipitazione (corrisponde allo stato T4) fino ad ottenere valori delle
proprietà meccaniche paragonabili a quelle proprie della lega che si trova allo stato T6. Spesso, per
assicurare una resistenza maggiore della lega, si ha un eccesso di silicio, anche se tale aspetto può
compromettere la resistenza alla corrosione. Inoltre, si verifica la presenza di piccole quantità di
manganese o di cromo, che oltre ad accrescere la resistenza, permettono il controllo del grano; se
alla lega viene aggiunta una certa percentuale di rame, in quantità che non superano 0,5%,
migliorano sensibilmente le proprietà meccaniche.
Tra le leghe maggiormente utilizzate si può citare la 6061 che contiene una percentuale massima
di Mg2Si pari a 2% e quantità di rame e cromo entrambe di 0,25%. Le migliori resistenze, in
questa famiglia, si hanno nelle 6066 e 6070, grazie all’aggiunta, tra le impurità, di manganese.
Tra le principali caratteristiche di queste leghe vanno citate l’estrudibilità, la saldabilità, la
resistenza alla corrosione, la formabilità e la lavorabilità alla macchina utensile. Per quanto
riguarda questo ultimo aspetto, è utile considerare la lega 6262-T9 la cui buona lavorabilità,
seconda solo a quella della lega 2011-T3, è principalmente dovuta alla presenza di piombo e
bismuto, entrambi impiegati in quantità prossime a 0,25%.
7xxx: l’alligante principale è lo zinco, ma si tratta essenzialmente di leghe ternarie (alluminiozinco-magnesio) o quaternarie (alluminio-zinco-magnesio-rame). Le leghe quaternarie, la cui
composizione prevedeva una percentuale di zinco fino al 8%, di rame fino al 2% e di magnesio
fino al 3,4%, non furono facilmente commercializzate, al momento della loro introduzione, perché
non offrivano una sufficiente resistenza a stress-corrosion. L’aggiunta di cromo permise di
superare tale limite: fu quindi sperimentata ed introdotta la lega 7075 quaternaria. Inoltre,
particolari trattamenti termici (T73, T75) consentono di eliminare le rotture da fatica-corrosione
anche in semiprodotti forgiati o estrusi. Accanto alle leghe quaternarie, sono state sperimentate
leghe ternarie nelle quali il rame non è presente, oppure impiegato in quantità molto basse assieme
a manganese, cromo, titanio e zirconio. Tale caratteristica permette di migliorare la saldabilità
oltre che di abbassare le temperature del trattamento termico (lega 7005, 7039 e 7020).
Le leghe 7050 e 7010 possiedono caratteristiche chimiche simili alla 7075 e proprietà meccaniche
di poco superiori: il carico di snervamento può arrivare a 450 MPa e quello di rottura a 560 MPa
per la 7075, mentre per la 7050 e la 7010 si hanno, rispettivamente 532 MPa e 575 MPa. La lega
7022 presenta carichi di snervamento tra 420 e 495 MPa, e carichi di rottura tra 500 e 555 MPa.
I semiprodotti spessi delle leghe 7xxx sono in genere sottoposti a solubilizzazione ed
invecchiamento; la fase di aging può essere mono- o bi-stadio a seconda della destinazione degli
stessi prodotti: l’invecchiamento è mono-stadio nel caso di prodotti non destinati ad impieghi avio,
quando ad essi è richiesta massima durezza, mentre è bi-stadio quando è applicato a semiprodotti
per l’industria aeronautica, ai quali è richiesta massima resistenza alla corrosione.
7xxx di seconda generazione: sono le leghe di alluminio che offrono in assoluto le migliori
caratteristiche meccaniche: il carico di rottura può arrivare fino a circa 650 MPa. Sono leghe
quaternarie, con una percentuale di zinco inferiore all’8% e di rame inferiore al 2,6%; tra queste si
menziona la 7150.
3.3. Alliganti meno importanti ed impurità
Nella Tabella 3.2 è sintetizzato invece il ruolo degli alliganti minori.
Antimonio
Argento
Berillio
Bismuto
Boro
Cadmio
Cromo
Ferro
Piombo
Nichel
Stagno
Zirconio
è presente, in tracce, in leghe alluminio-magnesio per contrastare
l’hot-cracking e per migliorare la resistenza alla corrosione, visto che
dà origine a un film superficiale che protegge la lega in ambienti
aggressivi
dato il suo elevato costo, non può essere impiegato come alligante,
però piccole aggiunte (da 0,1 a 0,6%) possono essere utilizzate nelle
leghe alluminio- zinco-magnesio per migliorare la resistenza
è utilizzato nelle leghe che contengono magnesio, per ridurre
l’ossidazione ad elevate temperature.
è un elemento utilizzato in leghe soggette a lavorazione per
asportazione di truciolo (per esempio nella lega 2011), oppure nelle
leghe alluminio-Mg2Si (come nella 6262)
è un elemento che consente di raffinare il grano durante la
solidificazione (se utilizzato in quantità che variano tra 0,005 e 0,1%)
e che migliora la conduttività elettrica
è impiegato, in percentuali fino a 0,3%, nelle leghe Al-Cu, per
aumentare la velocità del processo di invecchiamento. Per lo stesso
scopo il cadmio è impiegato anche in leghe alluminio-zinco-magnesio,
ma in quantità comprese tra 0,005 e 0,5%. In alcune leghe e in
percentuali pari a 0,1%, può migliorare la lavorabilità
aggiunto all’alluminio puro, può influenzare la resistività elettrica.
Tale elemento è spesso utilizzato come impurità in molte leghe Al-Mg,
Al-Mg-Si e Al-Mg-Zn, in quantità che non superano 0,35%, perché,
nelle leghe da deformazione, inibisce la crescita del grano. Le
strutture fibrose che ne derivano sono meno suscettibili alla corrosione
e migliorano sensibilmente la tenacità della lega
tracce di questo metallo sono spesso presenti nell’alluminio, mentre è
utilizzato in molte "wrought alloys" perché riduce la dimensione del
grano. Nelle leghe Al-Cu-Ni è impiegato perché aumenta la resistenza
alle elevate temperature
si utilizza principalmente nelle leghe 2011 e 6262, assieme al bismuto,
per aumentare la lavorabilità
è aggiunto nelle leghe Al-Cu e Al-Si per migliorare la durezza e la
resistenza alle elevate temperature e per ridurre il coefficiente di
espansione
nei prodotti per deformazione è presente in concentrazioni molto
basse, pari a 0,03%, per migliorare la risposta ai trattamenti termici
nelle leghe della famiglia delle 2xxx: quantità maggiori potrebbero
determinare hot-cracking
se utilizzato in quantità comprese tra 0,1 e 0,3%, nelle leghe Al-Zn-Mg
permette il controllo del grano ed aumenta la temperatura di
ricristallizzazione
Tabella 4.2 – Effetto di alliganti minori e impurezze sulle leghe di alluminio da deformazione
plastica
3.4. Classificazione dei prodotti estrusi
Poiché le forme ottenibili col processo di estrusione sono molteplici, realizzare una classificazione
semplice ed univoca dei profilati è molto difficile. Dal punto di vista puramente tipologico, si
possono distinguere: profilati aperti a sezione piena (Figura 4.1), profilati con cavità aperte o
semicavi (Figura 4.2), profilati a sezione chiusa o cavi (Figura 4.3).
Fig. 3.1 - Esempi di estrusi aperti a sezione piena
Fig. 3.2 - Esempi di estrusi con cavità aperte o semicavi
Fig. 3.3 - Esempi di estrusi a sezione chiusa o cavi
Più in generale, va sottolineato come il processo di estrusione si sia affermato per la capacità di
ottenere un numero impressionante di forme che, a parte i vincoli tecnici imposti dal tipo di lega di
alluminio utilizzata e dalle dimensioni ottenibili con una certa pressa, possono essere limitate
esclusivamente dalle scelte tecniche del progettista. Questo processo spesso consente la
realizzazione dei componenti finiti in alluminio a costi minori degli analoghi ottenuti in acciaio, in
modo particolare quando si deve fabbricare un elemento a sezione costante ed inoltre permette la
realizzazione economica di dettagli geometrici disegnati in modo da rendere semplice ed
estremamente veloce l’operazione di assemblaggio dei diversi componenti (ad esempio possono
essere facilmente accoppiati ad incastro).
L’interesse e la convenienza dell’estrusione diventano altissimi quando il numero dei pezzi
costituenti il lotto consente l’ammortamento della matrice, mentre i quantitativi minimi di estruso
che devono essere approvvigionati per ogni ordine d’acquisto sono tanto maggiori quanto
maggiore è il diametro della pressa.
Un estruso ben progettato evita operazioni di saldatura e di lavorazione all’utensile, offre
un’ottimale efficienza strutturale perché il metallo può essere messo dove necessario, riduce il
numero dei pezzi per costruire un elemento, semplifica le applicazioni di finitura (Figura 4.4).
Fig. 4.4 - Esempi di vantaggi degli estrusi di alluminio
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B6. J.R. BROWN, “Non-ferrous foundryman’s handbook”, Butterworth, Oxford (1999).
B7. M.C. FLEMINGS, “Solidification Processing”, Mc Graw Hill, New York (1974).
B8. Proc. 6th Int. Conf. Semi Solid Processing of Alloys and Composites, Edimet, Brescia
(2000).
B9. E. DI RUSSO, “Atlante Metallografico delle leghe di alluminio da fonderia”, Edimet,
Brescia (1991).
B10. T.P. BATTLE, International Materials Review, 37 (1992), pp 239-270.
B11. L. WANG, M. MAKHLOUF, D. APELIAN, International Materials Review, 40 (1995), pp
221-238.
C. Processi di deformazione plastica delle leghe di alluminio
C1. C. PANSERI, Manuale di Tecnologia delle Leghe Leggere da Lavorazione Plastica, Ulrico
Hoepli Editore, Milano (1957).
C2. ASM Metals Handbook, 10th ed., vol. 14, “Forming and Forging”, ASM - Metals Park, Ohio
(1990).
C3. P.K. SAHA, Wear, 218, 2 (1998), pp. 179-190.
C4. T. SHEPPARD, E. NISARATANAPORN, H.B. McSHANE, Zeitschrift fur Metallkunde,
89, 5 (1998), pp. 327-337.
APPENDICE
Stato
W trattato termicamente
solubilizzazione
Descrizione
per Stato presente solo in leghe che invecchiano a
temperatura ambiente dopo trattamento termico di
solubilizzazione
T
trattato
termicamente
e Stato applicato a leghe da deformazione o da
stabilmente
fonderia, con o senza una successiva deformazione
a freddo
T1 Invecchiato naturalmente fino a Stato presente in prodotti con una soluzione di
una sostanziale condizione stabile alliganti ad alta temperatura e che sono stati
raffreddati rapidamente
T2 Ricotto
Stato presente solo nei getti
T3 Trattato termicamente per la Stato applicato ai prodotti lavorati a freddo per
solubilizzazione, lavorato a freddo migliorare la resistenza
e invecchiato naturalmente
T4 Trattato termicamente per la Stato che si applica ai prodotti che non sono lavorati
solubilizzazione
e
invecchiato a freddo dopo la solubilizzazione
naturalmente
T5 Invecchiato artificialmente
Stato che si applica ad estrusi e getti per migliorare
resistenza e stabilità dimensionale
T6 Trattato termicamente per la Stato che si applica a prodotti non deformati a freddo
solubilizzazione
e
invecchiato dopo la solubilizzazione
artificialmente
T7 Trattato termicamente per la Stato a cui sono sottoposti i prodotti per migliorare la
solubilizzazione, superinvecchiato stabilità dimensionale e la resistenza alla corrosione
T8 Trattato termicamente per la Stato applicato ai prodotti lavorati a freddo per
solubilizzazione, lavorato a freddo migliorare la resistenza. Una seconda cifra indica il
e invecchiato artificialmente
livello di lavorazione a freddo a cui è stato sottoposto
il prodotto
T9
Trattato
termicamente Stato in cui la lavorazione a freddo è applicata alla
invecchiato
artificialmente
e fine per migliorare la resistenza
lavorato a freddo
T10 Invecchiato artificialmente e Stato applicato a prodotti, come estrusi o getti,
lavorato a freddo
invecchiati dopo un’elevata temperatura e lavorati a
freddo per migliorare la resistenza
Tx51 Detensionato tramite trazione Stato applicato ai prodotti che presentano tensioni
interne dopo trattamento termico di solubilizzazione.
Per eliminarle si applica una trazione
Tx52
Detensionato
tramite Stato applicato ai prodotti che presentano tensioni
compressione
interne dopo trattamento termico di solubilizzazione.
Per eliminarle si applica una compressione
Tx53
Detensionato
tramite
trattamento termico
T42 Trattato termicamente per
solubilizzazione
T62 Trattato termicamente e
invecchiato artificialmente
Tabella A1: Sistema di designazione degli stati metallurgici delle leghe trattabili termicamente
Stato
F (al grezzo)
Descrizione
nessun controllo sull'ammontare di incrudimento; nessun
limite sulle proprietà meccaniche.
O (ricotto, ricristallizzato)
stato con la minor resistenza e la più alta duttilità.
H1 (incrudito)
• H12, H14, H16, H18: il grado di incrudimento è indicato
dalla seconda cifra e varia da 1/4 (H12) fino a
incrudimento pieno (H18), che si ottiene con una
riduzione di sezione di circa il 75%.
• H19 uno stato extra-duro per prodotti con resistenza e
incrudimento sostanzialmente superiori allo stato H18.
H2 (incrudito e parzialmente H22, H24, H26, H28: stati che variano da 1/4 al pieno
incrudito)
incrudimento ottenuti con la parziale ricottura di materiali
lavorati a freddo con resistenze iniziali maggiori di quanto
desiderato.
H3 (incrudito e stabilizzato)
H32, H34, H36, H38: stati per addolcire le leghe Al-Mg che
sono incrudite e quindi riscaldate a bassa temperatura per
aumentare la duttilità e stabilizzare le proprietà meccaniche.
H112 (incrudito durante la Nessun controllo speciale sulla quantità di incrudimento ma
fabbricazione)
richiede un controllo meccanico e garantisce un minimo di
proprietà meccaniche.
H321 (incrudito durante la La quantità di incrudimento è controllata durante le
fabbricazione)
lavorazioni a caldo e a freddo.
H323, H343
Incrudimento speciale, stati resistenti alla corrosione per le
leghe Al-Mg.
Tabella A2: Sistema di designazione degli stati metallurgici delle leghe incrudibili

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