ConFronto e SCeLta Dei MetaLLi D4

D4
CONFRONTO E SCELTA DEI METALLI
Saperi in uscita
Conoscenze
• La metodologia di confronto dei metalli.
• I criteri di scelta dei metalli.
Capacità
• Effettuare il confronto tra i metalli sulla base delle
loro proprietà.
• Utilizzare coerentemente le tabelle dati.
Nuovo Corso di Tecnologia Meccanica 1 – Cataldo Di Gennaro, Anna Luisa Chiappetta, Antonino Chillemi • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A.
• Individuare i metalli più idonei.
Per orientarsi
In questa unità vengono esaminate le differenze esistenti tra i diversi materiali metallici, sulla base delle proprietà che li caratterizzano (4Mod. C).
L’approccio utilizzato è limitato al solo confronto delle proprietà, per cui
non vengono esaminati gli aspetti legati ai processi di lavorazione e di trattamento termico e meccanico, che saranno affrontati successivamente.
Dal momento che esistono centinaia di metalli diversi non è possibile ricordarli tutti, né necessario.
Quasi tutte le leghe, infatti, traggono origine da un ridotto numero di metalli
base, dai quali si differenziano per modifiche della composizione (4Fig. D4.1).
Figura D4.1
La modifica di ricette base di metalli origina nuove leghe metalliche.
Basandosi sulle proprietà di pochi tipi di metalli è possibile in­di­vi­dua­re quello
più adeguato per l’impiego assegnato.
La conoscenza delle proprietà dei metalli è fornita da tabelle, grafici e prove. Dal loro esame si possono confrontare i metalli e individuare quello migliore per l’uso previsto.
Al termine del Modulo E, sarà affrontato l’esame completo della metodologia
di progettazione di un generico prodotto industriale, con la finalità di chiarirne
la procedura operativa e i criteri di scelta del materiale nell’ambito della progettazione stessa.
1
Confronto e scelta dei metalli
D4
D4.1dati per il confronto dei metalli
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italiano
inglese
Costruzioni General
di carpenteria constructional
metallica, adatti
alla saldatura
Adatti Suitable
alla saldatura for welding
Parti Machinery
di macchine parts
Bulloneria
Nuts and bolts
Alberi motore Shafts
Ingranaggi
Gears
Molle Springs
Utensili Cutting tools
da taglio
Stampi
Dies
Serbatoi Pressure vessel
in pressione
Particolari Aircraft parts
aeronautici
Tubazioni Drain pipes
di scarico
Blocchi cilindro Cylinder blocks
Fogli
Cooking per alimenti
foil
Rivestimenti Aircraft skins
aeronautici
Forgiati
Forgings
Longheroni Spars
e correntini
Rivetti
Rivets
Quando si deve scegliere un metallo per un’applicazione progettuale occorre disporre di dati sulle loro proprietà, rintracciabili in tabelle dati (database), in
diagrammi cartesiani o mediante prove specifiche sui metalli.
Nelle unità precedenti di questo modulo sono stati esaminati i principali
materiali metallici, descrivendone le proprietà più significative e riportandole
in tabelle. A queste si aggiungono, per ogni generico tipo di metallo e sue leghe esaminati, le tabelle che ne riassumono gli impieghi tipici (4Tabb. D4.1,
D4.2, D4.3, D4.4, D4.5, D4.6, D4.7).
Tabella D4.1 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sul ferro
Metallo
Composizione tipica
[% in massa]
Impieghi tipici
Acciaio a basso tenore di carbonio
(acciaio dolce)
Fe + 0,04÷0,3%
C (+ ∼0,8Mn)
Pezzi poco sollecitati; costruzioni di carpenteria metallica, adatti alla saldatura
Acciai a medio tenore di carbonio
Fe + 0,3÷0,7% C
(+ ∼0,8Mn)
Pezzi mediamente sollecitati quali parti di macchine, bulloneria, alberi motore, ingranaggi
Acciai ad alto tenore di carbonio
Fe + 0,7÷1,7% C
(+ ∼0,8Mn)
Pezzi molto sollecitati quali molle, utensili da
taglio, stampi
Acciai bassolegati
Fe + 0,2% C
0,8Mn 1Cr 2Ni
Pezzi molto sollecitati quali serbatoi in pressione, particolari aeronautici e per autoveicoli
Acciai altolegati (inossidabili)
Fe + 0,1% C
0,5Mn 18Cr 8Ni
Pezzi per impieghi ad alta temperatura o anticorrosione, quali componenti per impianti chimici e contenitori per la cottura degli alimenti
Ghisa
Fe + 2÷4% C
(+ ∼0,8Mn 2Si)
Pezzi poco sollecitati quali tubazioni di scarico,
blocchi cilindro, strutture di macchine utensili
Tabella D4.2 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sull’alluminio (continua)
Metallo
Composizione tipica
[% in massa]
Impieghi tipici
Serie 1000 alluminio non legato
> 99 Al
Scarsamente resistente ma duttile, buon conduttore elettrico:
linee di trasmissione di energia elettrica, fogli per alimenti
Serie 2000 alluminio legato con rame (principale elemento)
Al + 4Cu + Mg, Si, Mn
Leghe molto resistenti indurite per invecchiamento: strutture e
rivestimenti aeronautici, forgiati, longheroni e correntini, rivetti
Serie 3000 alluminio legato con manganese
(principale elemento)
Al + 1Mn
Leghe moderatamente resistenti, duttili, eccellente resistenza alla corrosione: pentolame, lastre di copertura tetti
Serie 5000 alluminio legato con magnesio
(principale elemento)
Al + 3Mg 0,5Mn
Leghe molto resistenti indurite per incrudimento in lamiere
saldabili: serbatoi in pressione, sovrastrutture navali, barattoli per bevande (lattine)
Serie 6000 alluminio legato con magnesio e silicio (principali elementi)
Al + 0,5Mg 0,5Si
Leghe moderatamente resistenti indurite per invecchiamento: estrusi anodizzati da usare, per esempio, negli infissi
degli edifici
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Confronto e scelta dei metalli
D4
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Tabella D4.2 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sull’alluminio (segue)
Metallo
Composizione tipica
[% in massa]
Impieghi tipici
Serie 7000 alluminio legato
con zinco e magnesio
(principali elementi)
Al + 6Zn + Mg, Cu, Mn
Leghe molto resistenti indurite per invecchiamento: forgiati aeronautici, longheroni e correntini, strutture leggere di carrozze ferroviarie
Leghe da fonderia
Al + 11Si
Getti in sabbia o pressocolati
Leghe alluminio-litio
Al + 3Li
Bassa massa volumica e buona resistenza: longheroni e correntini, rivestimenti aeronautici
Come si traduce...
italiano
inglese
Strutture aeronautiche
Impianti ossei Tabella D4.3 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sul titanio
Airframes
Metallo
Composizione tipica
[% in massa]
Surgical
implants
Leghe α-β
Ti-6Al 4V
Impieghi tipici
Leggera, molto resistente, eccellente resistenza
alla corrosione, alta temperatura di fusione,
buona resistenza allo scorrimento viscoso: impianti chimici, turbofan per motori a reazione,
strutture aeronautiche, impianti ossei
Tabella D4.4 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sul magnesio
Metallo
Composizione tipica
[% in massa]
Impieghi tipici
Mg + 9Al 0,7Zn
0,13Mn
Buona colabilità e buone prestazioni meccaniche sotto i 150 °C; leghe
per colate normali
AM60
Mg + 6Al 0,15Mn
Grande tenacità, resistenza leggermente minore della AZ91, preferita per
applicazioni strutturali in campo automobilistico; leghe per pressocolata ad
alta pressione. Le applicazioni più tipiche nel campo automobilistico sono i
rivestimenti delle testate dei cilindri, gli alloggiamenti delle frizioni, i piantoni degli sterzi, i cerchioni e teste di valvole. Applicazioni non automobilistiche: componentistica per computer; telai per valige; pianali per tosaerba;
alloggiamenti per videocamere e archi per il tiro con l’arco
AZ31
Mg + 3Al 1Zn 0,2Mn
Buona estrusione. Prodotti di magnesio per lavorazioni plastiche: telai per
biciclette; canne da pesca; lamine per gli sci
ZE41
Mg + 4,2Zn 1,2RE
0,7Zr
Le terre rare migliorano la resistenza al creep alle alte temperature. Leghe
per colate specialistiche: scatole dei cambi per elicotteri; telai per i tettucci dei posti di pilotaggio; convogliatori d’aria; telai per motori e freni per
le alte velocità
AS41
Mg + 4,2Al 1Si
Migliore resistenza al creep della AZ91 alle alte temperature, ma minore
resistenza meccanica. Leghe per colate normali
AZ91
3
Confronto e scelta dei metalli
D4
Come si traduce...
italiano
inglese
Tubazioni per l’acqua
Componenti di tubisteria
per acqua
Cuscinetti a
strisciamento
Eliche navali
Campane
Conio monete
Water pipes
Tabella D4.5 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sul rame
Metallo
Water fittings
Composizione tipica
[% in massa]
Rame
100% Cu
Duttile, resistente alla corrosione e buon conduttore
elettrico: tubazioni per l’acqua, cavi elettrici
Ottone
Cu + Zn
Più resistente del rame, lavorabile alle macchine utensili, accettabile resistenza alla corrosione: componenti
di tubisteria per acqua, bulloneria, componenti elettrici
Bronzo
Cu + 10÷30Sn
Buona resistenza alla corrosione: cuscinetti a strisciamento, eliche navali, campane
Cupronickel
Cu + 30Ni
Buona resistenza alla corrosione: conio monete
Bearings
Ship’s
propellers
Bells
Coinage
Impieghi tipici
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Tabella D4.6 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sul nichel
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Tubi per Heat-exchanger
scambiatori tubes
termici
Componenti Furnace parts
di forni
Dischi e palette Turbine blades
per turbine e discs
Composizione tipica
[% in massa]
Metallo
Monel
Superleghe
Impieghi tipici
Ni + 30Cu 1Fe 1Mn
Resistente meccanicamente e alla corrosione:
tubi per scambiatori termici
Ni + 30Cr 30Fe 0,5Ti
0,5Al
Resistente alla corrosione e allo scorrimento
viscoso: componenti di forni
Ni + 10Co 10W 9Cr
5Al 2Ti
Molto resistente allo scorrimento viscoso: dischi e palette per turbine
Tabella D4.7 Impieghi tipici di generiche leghe metalliche basate sullo zinco
Composizione tipica [% in massa]
Metallo
Leghe per pressofusione Zama
Leghe alto tenore alluminio Zn-Al
Zn + 3,8÷4,2Al 2,7÷3,3Cu
0,035÷0,06Mg
Leghe medio fondenti con buone caratteristiche di durezza e di
resistenza alla trazione: telaio portante di elettrodomestici, fanalerie, carburatori, corpi per filtri riduttori per aria compressa,
parti di serrature, oggetti ornamentali, modellini in scala, corpi
contenitore
Zn + 10,8÷11,5Al
0,9÷1,3Cu
Leghe a elevato grado di resistenza, impiegabili per colate in
sabbia, conchiglia, centrifuga e pressocolate. Hanno maggiore
resistenza delle leghe Zama tradizionali e migliore resistenza a
scorrimento viscoso, a temperature variabili da 100 a150 °C. Le
leghe antifrizione possono sostituire i bronzi per la produzione di
boccole e bronzine soprattutto in zone calde. Supporti aperti e/o
flangiati per alberi a gomiti di compressori, parti di strumenti di
precisione, volantini e manette per macchine utensili, ingranaggi
e meccanismi di distribuzione, tamburi per serrature, corpi per valvole azionatrici pneumatiche, corpi per valvole e saracinesche manuali, rulli per manichette antincendio, apparati elettrici
Come si traduce...
italiano
inglese
Dati
4
Data
Impieghi tipici
La tabella D4.8 riporta i dati approssimativi di alcune proprietà, fisiche,
termiche e meccaniche, dei principali tipi di metalli che interessano la progettazione. Naturalmente esistono molti più metalli di quelli indicati nella
tabella D4.8, tuttavia, come accennato all’inizio di questo modulo, essi rappresentano i più utilizzati nella moderna tecnologia.
Confronto e scelta dei metalli
D4
5
Confronto e scelta dei metalli
D4
Massa
volumica
[kg/dm3]
7,9
7,9
7,8
7,8
7,8
7,4
2,7
2,7
2,8
2,7
2,8
2,7
4,5
4,4
Metallo
Ferro
Acciaio a
basso tenore
di carbonio
Acciaio ad
alto tenore
di carbonio
Acciai
basso legati
Acciaio
alto legati
Ghise
Alluminio
Serie 1000
Serie 2000
Serie 5000
Serie 7000
Leghe
da fonderia
Titanio
Ti 6Al 4V
115
120
71
71
71
71
71
71
152
215
203
210
210
211
Modulo
di elasticità
longitudinale
E [GPa]
70÷135
70÷180
300÷600
120÷430
500÷670
25÷125
28÷165
200÷500
40÷300
350÷600
240
900÷1000
170
800÷900
130÷400
10÷800
50÷400
65÷350
460÷1700
420÷2000
650÷2000
430
200
Carico
unitario
di rottura
a trazione
Rm [MPa]
170÷1600
290÷1600
350÷1600
220
50
Carico
unitario di
snervamento
a trazione Rs
[MPa]
0,1÷0,2
0,25
Titanio e sue leghe
0,1÷0,15
0,1÷0,17
0,1÷0,35
0,1÷0,25
0,1÷0,45
0,1÷0,5
20÷50
140
50÷80
5÷30
20÷70
30÷40
10÷50
45
45
6÷20
50÷170
50÷170
Alluminio e sue leghe
0÷0,18
0,1÷0,5
0,1÷0,2
0,1÷0,2
0,21
0,3
80
Tenacità
alla frattura
[MPa m1/2]
Ferro e sue leghe
Allungament
o relativo
rottura
duttilità
1920
1940
860
890
890
860
915
933
1403
1680
1750
1570
1765
1809
Temperatura
di fusione
[K]
Tabella D4.8 Alcune proprietà dei principali tipi di metalli che interessano la progettazione (continua)
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610
530
–
–
–
–
–
917
–
500
460
460
482
456
Capacità
termica
massica Ctm
a 20 °C
[kJ/kg K]
6
22
140
150
130
180
–
240
–
12÷30
40
40
60
78
Conduttività
termica
a 20 °C k
[W/m K]
8
9
20
24
22
24
24
24
–
10÷18
12
12
12
12
Coefficiente
medio di
dilatazione
termica
lineare α
a 20 °C [K−1]
6
Confronto e scelta dei metalli
D4
Massa
volumica
[kg/dm3]
1,74
1,81
1,80
1,77
8,9
8,4
8,4
8,9
8,9
7,9
7,1
6,7
Metallo
Magnesio
AZ91 Lega
da fonderia
AM60 Lega
da fonderia
AS41 Lega
da fonderia
Rame
Ottoni
Bronzi
Nickel
Monel
Superleghe
Zinco
Leghe da
pressofusione
105
105
214
185
214
120
105
130
–
–
–
42
Modulo
di elasticità
longitudinale
E [GPa]
–
–
800
340
60
200
200
75
140
130
160
–
Carico
unitario di
snervamento
a trazione Rs
[MPa]
280÷330
120
1300
680
300
350
350
220
215
220
230
180÷190
Carico
unitario
di rottura
a trazione
Rm [MPa]
0,07÷0,15
0,4
Zinco e sue leghe
0,2
0,5
0,4
Nickel e sue leghe
0,5
0,5
0,5÷0,9
Rame e sue leghe
0,06
0,06÷0,08
0,03
0,15÷0,20
–
650
693
1550
> 100
–
1600
> 100
1120
30÷100
1728
1190
30÷100
> 100
1356
890
888
871
924
Temperatura
di fusione
[K]
> 100
–
–
–
–
Tenacità
alla frattura
[MPa m1/2]
Magnesio e sue leghe
Allungament
o relativo
rottura
duttilità
Tabella C4.8 Alcune proprietà dei principali tipi di metalli che interessano la progettazione (segue)
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420
390
450
420
450
–
–
385
1,02
1,02
1,02
1,025
Capacità
termica
massica Ctm
a 20 °C
[kJ/kg K]
110
120
11
22
89
85
121
397
94
51
20
159
Conduttività
termica
a 20 °C k
[W/m K]
27
31
12
14
13
19
20
17
26,1
26,0
26,0
6,5
Coefficiente
medio di
dilatazione
termica
lineare α
a 20 °C [K−1]
D4.2criteri di scelta dei metalli
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inglese
Scelta dei metalli
Metal selection
Per comprendere le parole
e-commerce, e-buy:
consultazione dei dati e
acquisto di prodotti on line.
La scelta del materiale è una fase fondamentale della progettazione di un
pezzo. Essa ha l’obiettivo di assegnare a quest’ultimo il metallo con le caratteristiche più idonee all’impiego che se ne vuole fare. Per esempio, se si deve
produrre una molla che deve deformarsi elasticamente sotto una forza (impiego), questa dovrà possedere un elevato comportamento elastico (caratteristica) per cui il metallo prescelto dovrà avere un elevato valore del carico unitario di snervamento (proprietà). In sostanza, le proprietà di ogni metallo ne
determinano l’uso.
I dati relativi alle proprietà possono essere utilizzati nella fase iniziale della
progettazione di un prodotto, per trarne una prima indicazione nella scelta del
tipo di metallo da impiegare. Successivamente, per meglio precisarne la scelta,
si devono consultare tabelle dati più complete rintracciabili sui manuali. Prima di prendere la decisione finale di progetto, è bene individuare in dettaglio
lo specifico materiale e i relativi dati, ricorrendo alla documentazione tecnica
fornita dai produttori dei metalli (4Fig. D4.2 ). Sebbene importantissimi nel
processo di scelta dei metalli, nella tabella D4.8 non sono riportati i dati relativi al loro costo, perché variabili nel tempo. Tali dati si possono reperire sui
giornali economici (4Mod. C), i portali che curano l’e-buy e l’e-commerce o
presso gli stessi fornitori di metalli.
Figura D4.2
Sequenza del processo di scelta dei metalli.
Per comprendere le parole
Componente critico:
componente la cui rottura o cedimento potrebbe portare
al collasso catastrofico del
complessivo su cui è montato.
Si pensi al perno che collega
la forcella anteriore al telaio
di una motocicletta.
7
In particolare, se quello da progettare è un componente critico si deve
provvedere all’esecuzione di prove sui metalli individuati. Alcune proprietà
dipendono marginalmente dalla microstruttura dei metalli, come per esempio
la massa volumica, i moduli, il coefficiente di dilatazione termica e la capacità
termica massica. Esaminando i valori di queste proprietà, si osserva che, nel
caso degli acciai, la loro variazione è compresa in un intervallo del ± 5%, che
raramente viene superato. Si può concludere che, in genere, ogni acciaio possiede proprietà abbastanza vicine a quelle comprese nella tabella D4.8.
Confronto e scelta dei metalli
D4
Le proprietà che dipendono dalla microstruttura, al contrario, variano molto
in virtù della composizione chimica della lega e dei trattamenti termici e meccanici subiti.
Tali proprietà sono la resistenza a trazione di snervamento e di rottura, la
duttilità (che si desume dall’allungamento relativo), la tenacità alla frattura,
la resistenza allo scorrimento viscoso, la resistenza alla fatica.
Poiché non possono essere ipotizzate sulla base dei dati di altre leghe, anche quando la composizione è quasi la stessa, per tali proprietà è essenziale
la consultazione di tabelle dati dei produttori che, oltre a riportarne i valori,
presentino anche le condizioni di esecuzione dei trattamenti termici e delle
lavorazioni meccaniche.
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D4.3ESEMPIO APPLICATIVO DI SCELTA DEL METALLO
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inglese
Alta tecnologia High
technology
Per comprendere le parole
Caratteristiche organolettiche:
proprietà che possono essere
rilevate e apprezzate dai
sensi, come l’odore, il sapore,
il colore ecc.
Si consideri il caso del barattolo per bevande (la comune lattina); da punto di
vista del tecnologo esso è un prodotto di alta tecnologia.
Le caratteristiche per il suo impiego sono le seguenti:
— non deve consentire la fuoruscita del liquido;
— si deve impiegare una limitata quantità di materiale;
— deve essere riciclabile;
— deve essere ottenuto con una lavorazione semplice, da un’unica e sottile
lastra di metallo;
— non deve deteriorarsi a contatto con le bevande;
— non deve alterare le caratteristiche organolettiche del contenuto;
— deve essere leggero;
— non deve essere molto costoso;
— deve sopportare il carico dovuto alla sovrapposizione di altri contenitori
(impilaggio) per il trasporto (4Fig. D4.3 ).
Figura D4.3
Lattine impilate per il trasporto.
8
Confronto e scelta dei metalli
D4
Pertanto, il materiale deve presentare le seguenti proprietà:
— deve poter essere rifuso;
— deve essere facilmente deformabile (duttile e malleabile);
— deve essere resistente alla corrosione anche in presenza di sostanze organiche (birra, bibite varie, vino);
— deve avere una bassa massa volumica.
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Inoltre, deve avere un discreto valore di Rm. Questo consente di realizzare
piccoli spessori di parete con un doppio vantaggio: resistere alle sollecitazioni
derivanti dall’impilaggio e ottenere un contenitore leggero.
La scelta ovvia è rappresentata dalle leghe dell’alluminio (4Tabb. D4.2 e
D4.8 ). Nel caso specifico, è preferibile utilizzare le leghe alluminio-magnesio
della serie 5000.
9
Confronto e scelta dei metalli
D4
Verifica di unità
D4
1.Con gli acciai a medio tenore di carbonio si pos- 3.indicare la lega metallica che può essere utilizzata
sono fare:
per realizzare impianti ossei:
a) costruzioni di carpenteria metallica
a) X5 CrNi 18 10
b) bulloni
b) Ti-6Al 4V
c) stampi per deformare la lamiera
c) 6061
d) blocchi-cilindro di motori
d) AZ91
e) utensili
e) cupronichel
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2.Con le leghe di alluminio della serie 2000 si pos- 4.Indicare la lega metallica che può essere utilizzata
sono costruire:
per produrre un modellino in scala di un’autovettura:
a) barattoli per bevande
a) monel
b) fogli per alimenti
b) lega α-β
c) particolari aeronautici
c) ZAMA
d) infissi per edifici
d) ghisa
e) pentolame
e) lega d’alluminio serie 7000
10
Confronto e scelta dei metalli
D4