Alluminio e sue leghe

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Daniella Nigro
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1 Alluminio e sue leghe L alluminio viene estratto attraverso una serie di passaggi successivi da un minerale chiamato bauxite. La bauxite contiene due forme di ossido idrato di alluminio, AlO(OH) e Al(OH) 3. In aggiunta a questi composti di alluminio contiene ossido di ferro, silicati e ossido di titanio. Il primo passo è la produzione di allumina Al 2 O 3 con il processo Bayer. La bauxite viene spezzata e poi macinata, si mescola poi con una soluzione di soda caustica e pompata in una grossa autoclave. Qui, in pressione e a temperature tra 110 e 270 C l allumina è disciolta in forma di alluminato di sodio. L alluminio primario è prodotto dall elettrolisi dell allumina in sali di fluoro fusi (processo Hall & Heroult). L elettrolita è criolite fusa (Na 3 AlF 6 ).

2 Proprietà generali di alcuni metalli puri a confronto Al Mg Ti Cu Ni Fe numero atomico struttura cristallina cfc ec ec cfc cfc ccc massa volumica (kg/dm 3 ) 2,70 1,74 4,51 8,96 8,89 7,87 temperatura di fusione ( C) conduttività termica (W/mK) coeff. di espansione termica CTE (10-6 K -1 ) 23,5 26,0 6,9 17,0 13,4 12,1 modulo elastico (GPa) modulo elastico specifico E/d carico di rottura in trazione (MPa) Proprietà fisiche migliori generalmente nei metalli puri; proprietà meccaniche massime ottenibili generalmente con leghe adatte Proprietà dell alluminio 1- Cristallizza nel reticolo CFC e quindi presenta un comportamento duttile (profilati di ogni forma) e non infragilisce alle basse temperature. 2- La conduttivita' elettrica e' buona (37,7 m/ω mm2) (65% di quella del Cu, a parita' di volume, 200% in peso). 3- La conduttivita' termica e' ottima (238 W/m K), superata solo da Ag, Au e Cu (Fe=78 W/m K). 4- Il coefficiente di dilatazione, (23x10-6 /K) due volte quello del ferro, da' inconvenienti durante la fusione e le saldature. 5- Il punto di fusione e' di 660 C il che rende l' alluminio idoneo ad operazioni di fonderia. 6- E' molto resistente alla corrosione perché si ricopre di uno strato di ossido protettivo. 7- L'elevata resistenza alla corrosione fa sì che la sua riciclabilita' sia molto alta. 8- Non e' magnetico (sopporta elevati voltaggi ed e ottimo quindi in elettronica). 1- Bassa durezza Limiti dell alluminio 2- Non ha limite di fatica 3- Bassa resistenza ad usura 4- Problemi nella saldatura delle leghe da trattamento termico

5 Designazione delle leghe Designazione AA (Aluminium Association) per le leghe da deformazione plastica in uso in Europa (prefisso sigle a 4 cifre: EN AW: European Normative Aluminium Wrought alloys): 1xxx Al commercialmente puro 2xxx Al-Cu 3xxx Al-Mn 4xxx Al-Si 5xxx Al-Mg 6xxx Al-Mg-Si 7xxx Al-Zn-Mg 8xxx Altre composizioni La seconda lettera indica eventuali modificazioni rispetto alla composizione originale (0) terza e quarta cifra non hanno significato se non nella serie 1XXX (es = 99,50% Al) Designazione AA per le leghe da fonderia: prefisso delle sigle a 5 cifre: EN AB (leghe da rifusione), EN AC (leghe da getti/casting), EN AM (leghe madri/master): 10xxx Al commercialmente puro (terza e quarta cifra sulla purezza) 21xxx Al-Cu 41xxx Al-Si- Mg-Ti 42xxx Al-7Si-Mg 43xxx Al-10Si-Mg 44xxx Al-Si 45xxx Al-Si-Cu 46xxx Al-9Si-Cu 47xxx Al-Si-(Cu) 48xxx Al-Si-Cu-Ni-Mg 51xxx Al-Mg 71xxx Al-Zn-Mg Vecchia designazione UNI-ISO ancora utilizzata sia per leghe da fonderia sia per leghe da deformazione plastica: es. G Al-Si7 es. P Al-Si1 Mg0,5 Mn

13 Caratteristiche meccaniche e meccanismi di rafforzamento A seconda della composizione, del trattamento, dello stato di incrudimento si ottengono valori di resistenza alla trazione da meno di 100 MPa a oltre 600 MPa. I principali meccanismi di rafforzamento attivi sono: o indurimento per precipitazione o rafforzamento della soluzione solida o incrudimento

Indurimento per precipitazione o o o o Leghe con elementi che hanno un aumento della solubilità nell alluminio al crescere della temperatura: solubilizzazione ad alta temperatura (soluzione solida

14 Indurimento per precipitazione o o o o Leghe con elementi che hanno un aumento della solubilità nell alluminio al crescere della temperatura: solubilizzazione ad alta temperatura (soluzione solida omogenea) tempra in acqua fino a temp. ambiente (sol. solida sovrassatura) decomposizione controllata della soluzione solida per formare precipitati submicroscopici finemente dispersi: - invecchiamento naturale (a temperatura ambiente) - invecchiamento artificiale ( > temperatura ambiente)

17 Resistenza di alcune leghe di alluminio dopo esposizione per 1000 ore alla T indicata Incrudimento

18 Le leghe da incrudimento contengono elementi in grado di migliorare la resistenza allo stato ricotto (rafforzamento della soluzione solida) e di esaltare il miglioramento delle proprietà con l incrudimento Trattamento di ricottura ( C) per riottene re le caratteristiche iniziali

19 Designazione stati fisici e trattamenti termici M come fabbricato O- completamente ricotto 2 (1/4 crudo) 1 solo incrudito 4 (1/2 crudo) Sigla lega H incrudito 2 incr. e parzialmente ricotto 6 (3/4 crudo) 3 ricotto e parz. stabilizzato 8 (crudo) 9 (extra). 4 solub. e invecchiato naturalmente T trattato term. 5 raffredd. dopo lavorazione e inv. artificialmente 6 solub. e invecchiato artificialmente 8 solub., incrudito, inv. artificialmente. Considerazioni sull effetto degli elementi di lega Per gli elementi che agiscono come indurenti in modo diretto è importante stabilire una forcella di composizione ristretta per limitare la variabilità delle caratteristiche da colata a colata. Altri elementi quali Fe, Cr, Mn, Zr controllano le dimensioni del grano cristallino durante le lavorazioni a caldo e i trattamenti termici; anche per questi è importante prevederne un controllo nell analisi chimica.

20 In leghe complesse, la presenza di fasi secondarie di vario tipo e dimensione influenza molto le caratteristiche a frattura

Leghe da fonderia dell alluminio L alluminio è uno dei metalli più versatili in fonderia o bassa temperatura di fusione o elevata fluidità di molte leghe o buona finitura superficiale ottenibile nei

I maggiori inconvenienti possono derivare: o dall elevato ritiro di solidificazione (3,5-8,5%) o dall alto coefficiente di dilatazione (tensioni residue, cricche) o dalla tendenza all assorbimento di

21 Leghe da fonderia dell alluminio L alluminio è uno dei metalli più versatili in fonderia o bassa temperatura di fusione o elevata fluidità di molte leghe o buona finitura superficiale ottenibile nei getti. I maggiori inconvenienti possono derivare: o dall elevato ritiro di solidificazione (3,5-8,5%) o dall alto coefficiente di dilatazione (tensioni residue, cricche) o dalla tendenza all assorbimento di idrogeno (porosità) I processi di colata più utilizzati sono quelli in sabbia, in conchiglia per gravità e la pressocolata. Tra gli elementi tipici nelle leghe da fonderia si ha il Si: o o o o migliora la fluidità della lega abbassa il punto di fusione e il coefficiente di dilatazione migliora la resistenza alla corrosione nelle leghe ipereutettiche i cristalli di Si nella struttura incrementano la durezza e la resistenza ad usura ma peggiorano la lavorabilità all utensile. Lega G-Al Si13 colata in sabbia (a sinistra) e in conchiglia (a destra)

Per limitare un marcato calo di duttilità dato dai cristalli

eutettico trasformazione in composti più fini e tondeggianti durante

colata in sabbia, con 0,08% Sr (a destra) Effetto della modifica di

2 50 Colata in sabbia e modificata 195 13 58 Colata in conchiglia

22 Per limitare un marcato calo di duttilità dato dai cristalli aciculari fragili, viene praticata la modifica del costituente eutettico trasformazione in composti più fini e tondeggianti durante la solidificazione mediante Na oppure Sr Lega G-Al Si9Mn0,5Mg0,35 colata in sabbia, con 0,08% Sr (a destra) Effetto della modifica di una lega Al-13%Si Condizione Rm (MPa) A (%) HRB Colata in sabbia Colata in sabbia e modificata Colata in conchiglia 195 3,5 63 Colata in conchiglia e modificata Esempi di microstrutture di getti

Resistenza alla corrosione dell alluminio Se esposta all atmosfera, una superficie di alluminio genera uno strato di ossido di circa 5 nm compatto, continuo, compresso che agisce come protezione dall

Nonostante l elevata reattività dell alluminio, lo strato è responsabile del buon comportamento a corrosione dell alluminio (entro ph da 4 a 9) La maggior parte delle leghe possiede una buona

23 Resistenza alla corrosione dell alluminio Se esposta all atmosfera, una superficie di alluminio genera uno strato di ossido di circa 5 nm compatto, continuo, compresso che agisce come protezione dall ulteriore attacco (passivazione). Nonostante l elevata reattività dell alluminio, lo strato è responsabile del buon comportamento a corrosione dell alluminio (entro ph da 4 a 9) La maggior parte delle leghe possiede una buona resistenza in ambiente naturale (atmosfera rurale, industriale, marino), acqua fresca o marina, con molto agenti chimici. Fanno eccezione acidi o basi forti (es. NaOH, H 3 PO 4 ) Forme di corrosione dell alluminio o corrosione uniforme - attacco generalizzato per la solubilità dell ossido di alluminio nell ambiente o Corrosione galvanica - per accoppiamento con altro metallo più nobile in presenza di soluzioni acquose aereate; regolata dai valori dei potenziali di corrosione dell accoppiamento

o Attacco localizzato (Pitting) - ossido insolubile ma attacco in punti deboli associato a fenomeni elettrochimici per la presenza di microcostituenti catodici (es.

elementi di lega nelle zone vicine al bordo grano (crescente tendenza in leghe 6xxx, 2xxx, 7xxx) Corrosione per esfogliazione - si sviluppa lungo i piani

24 o Attacco localizzato (Pitting) - ossido insolubile ma attacco in punti deboli associato a fenomeni elettrochimici per la presenza di microcostituenti catodici (es. CuAl 2, FeAl 3, Si) o o Corrosione intergranulare - attacco selettivo del bordo di grano per meccanismi galvanici legati alla presenza di altre fasi e al prelievo di elementi di lega nelle zone vicine al bordo grano (crescente tendenza in leghe 6xxx, 2xxx, 7xxx) Corrosione per esfogliazione - si sviluppa lungo i piani longitudinali in laminati fortemente ridotti (spesso lungo i bordi grano), sulla superficie si notano distacchi di fogli e blisters legati al rigonfiamento per i prodotti di reazione

o Stress corrosion cracking - effetto combinato di sollecitazione meccanica, azione corrosiva e del tempo per generare un attacco intergranulare, specialmente in leghe 2xxx, 5xxx

usura, alla corrosione Il pezzo viene immerso come anodo in una cella elettrolitica per ottenere spessori di ossido fino a 25 µm L ossido deve essere parzialmente solubile per

25 o Stress corrosion cracking - effetto combinato di sollecitazione meccanica, azione corrosiva e del tempo per generare un attacco intergranulare, specialmente in leghe 2xxx, 5xxx (con elevato Mg), 7xxx Trattamenti di ossidazione anodica Mediante processi elettrochimici si ottengono strati di ossidazione molto più spessi e resistenti ai carichi meccanici, all usura, alla corrosione Il pezzo viene immerso come anodo in una cella elettrolitica per ottenere spessori di ossido fino a 25 µm L ossido deve essere parzialmente solubile per subire una lieve e controllata dissoluzione nell elettrolita e creare una struttura porosa che prolunghi il passaggio di corrente. In seguito questa viene sigillata per ossidazione in acqua.

26 Campi di applicazione e proprietà delle leghe di alluminio

27 Applicazioni automobilistiche

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