1.1 ALLUMINIO E LE LEGHE DI ALLUMINIO...

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1 Indice INDICE ARGOMENTI 1.1 ALLUMINIO E LE LEGHE DI ALLUMINIO Classificazione dell alluminio e delle leghe di Alluminio Trattamenti termici Leghe da fonderia Colata in sabbia a verde Colata in conchiglia a gravità Colata a bassa pressione Pressocolata Leghe da deformazione plastica Leghe non trattabili termicamente Leghe trattabili termicamente Indurimento per Precipitazione Principali leghe di Alluminio Esempi di leghe Al-Cu Esempi di leghe Al-Mn Esempi di leghe Al-Si Esempi di leghe Al-Mg Esempi di leghe Al-Si-Mg Esempi di leghe Al-Zn Trattamenti Superficiali- Anodizzazione Saldatura Magnesio e le leghe di Magnesio Estrazione del Magnesio Il Processo Elettrolitico Il Processo Termico Classificazione del Magnesio e delle leghe di Magnesio Proprietà chimiche e meccaniche Caratteristiche chimiche

2 Indice Caratteristiche meccaniche Trattamenti Termici Leghe da fonderia Leghe da deformazione plastica Saldatura Nichel e le leghe di Nichel Trattamenti Termici Annealing-softening Trattamenti di soluzione Ageing Classificazione del Nichel e delle leghe di Nichel Principali leghe di Nichel Leghe di nichel-rame : Leghe di nichel-molibdeno : Leghe di nichel-silicio Leghe di nichel-cromo : Leghe di nichel-cromo-molibdeno : Leghe di nichel-cromo-ferro: Superleghe di nichel Rame e le leghe di Rame Estrazione del rame Classificazione del Rame raffinato e basso legato Rame contenente ossigeno Rame disossidato Rame esente da ossigeno Trattamenti Termici Rame all argento Rame al Tellurio e allo Zolfo Rame all arsenico Proprietà delle leghe di Rame

3 Indice 4.6 Classificazione del Rame e delle leghe di Rame Ottoni Ottoni α-rossi Ottoni α-gialli Ottoni α+β Bronzi Bronzi allo stagno Bronzi al silicio Bronzi all alluminio (Cuproallumini) Bronzi al Berillio Cupronichel Metalli Bianchi Leghe speciali di rame Titanio e le leghe di Titanio Estrazione del Titanio Processo al Cloruro Processo al Solfato Processo al Carbonato di Potassio Classificazione del Titanio e delle leghe di Titanio Leghe α Leghe α+β Leghe β Tecnologie di lavorazione Fusione e produzione di getti Lavorazione a caldo Lavorazione a freddo Lavorazione con asportazione di truciolo Fresatura Tornitura ed alesatura Saldabilita

4 Indice Resistenza alla corrosione Zinco e le leghe di Zinco Estrazione dello Zinco Zinco di purezza commerciale Classificazione dello Zinco e delle leghe di Zinco Leghe da deformazione plastica Leghe da fonderia Esempi di leghe di zinco La zincatura Il processo Pretrattamenti superficiali Trattamenti in fase di produzione

5 Indice 5

6 Alluminio e le leghe di alluminio MATERIALI METALLICI NON FERROSI 1.1 ALLUMINIO E LE LEGHE DI ALLUMINIO L alluminio è l elemento chimico facente parte dei metalli del blocco p e le cui proprietà generali sono le seguenti: Elemento di numero atomico 13 con struttura reticolare a temperatura ambiente di tipo c.f.c. ovvero cubico a facce centrate; Configurazione elettronica Ne3s²3p¹ Densità 2,70 g/cm^3; Durezza brinell (HB) 2,75; Punto di fusione 660 C; Carico di rottura MPa; Modulo di elasticità 66,6 GPa; Allungamento a rottura 55 %; Aspetto bianco-argenteo; Basso peso specifico, pari a circa un terzo di quello dell acciaio o delle leghe di Rame; Elevata resistenza alla corrosione; Alta conducibilità termica ed elettrica; Atossicità; Elevata plasticità; Eccellente duttilità e malleabilità; Basso potere radiante; Ottima saldabilità (a gas, ad arco elettrico, per resistenza); Esso si trova in associazione con il silicio negli alluminosilicati, nei feldspati, nelle miche e nelle argille. Il minerale più importante per la produzione dell' alluminio è la bauxite, un ossido idrato dell' alluminio che contiene dal 50 al 60 % di Al 2 O 3 (allumina), dall' 1 al 20 % di Fe 2O3 (ematite), dall'1 al 10 % di 6

7 Alluminio e le leghe di alluminio SiO 2 (silice), minori quantità di titanio, zirconio, vanadio ed altri minerali contenenti gli ossidi dei metalli di transizione, con un contenuto di acqua che varia dal 20 al 30 %. La bauxite è purificata con il processo Bayer che sfrutta il carattere anfotero dell' ossido di alluminio (allumina). Quest ultimo è solubile nelle basi forti, mentre l' ossido di ferro (III) non lo è. La bauxite grezza viene disciolta nell' idrossido di sodio (NaOH): Al 2 O 3 (s) + 2 OH - (aq) + 3 H 2 O (l) 2 Al(OH) 4- (aq) e separata dall' ossido di ferro (III) idrato e dalle altre impurezze insolubili mediante una filtrazione. L' ossido di alluminio puro precipita quando la soluzione viene raffreddata fino a sovrassaturazione e seminata con germi dell' idrato di alluminio da cristallizzare. 2 Al(OH) 4- (aq) Al 2 O 3 * 3H 2 O (s) + 2 OH - (aq) L'acqua di idratazione viene allontanata con una calcinazione a 1200 C. Se paragonato al rame, al ferro, all' oro ed al piombo, che erano noti fin dall' antichità, il metallo alluminio è relativamente recente. Sir Humphry Davy lo aveva ottenuto come una lega del ferro e dimostrò la sua natura metallica nel Fu isolato da H.C. Oersted nel 1825, in una forma relativamente pura, per mezzo della riduzione del cloruro di alluminio con un' amalgama di potassio sciolto nel mercurio, secondo la reazione: AlCl 3 (s) + 3 K(Hg) x (l) 3 KCl ( s) + Al(Hg) 3X (l) 7

8 Alluminio e le leghe di alluminio dai cui prodotti era stato rimosso il mercurio per distillazione. L' alluminio è rimasto una curiosità di laboratorio fino al 1886 quando Charles Hall negli Stati Uniti (allora appena laureato a 21 anni presso il College Oberlin) e Paul Héroult (un francese della stessa età), in modo indipendente, inventarono un processo efficiente per la sua produzione. Nel 1991 la produzione mondiale di alluminio con il metodo Hall- Héroult era stata di circa tonnellate. Il processo Hall-Héroult consiste nella deposizione catodica dell' alluminio dalla criolite fusa (Na 3 AlF 6 ) che contiene l' ossido o A 2 lo 3 in soluzione (figura 2). Ogni cella consiste di una vasca rettangolare d' acciaio, lunga 6 m, larga 2 m ed alta 1 m che funge da catodo, mentre gli anodi di grafite massiccia si estendono dal tetto della cella fin dentro il bagno di criolite fusa. Enormi correnti elettriche ( fino a A) sono fatte passare attraverso la cella e fino a 100 di queste celle possono essere collegate in serie. La criolite fusa che è completamente dissociata negli ioni Na + a AlF 3-6 è un solvente eccellente dell' ossido di alluminio che produce un equilibrio ripartito tra gli ioni Al +3, AlF 2+, AlF 2+,..., AlF 3-6 e O - 2 nell' elettrolita. La criolite fonde a 1000 C ma il suo punto di fusione è abbassato dall' ossido di alluminio in soluzione in modo che la temperatura di esercizio è di circa 950 C. A confronto con la temperatura di fusione dell' ossido puro A 2 lo 3 (2050 C), quella della criolite è una temperatura bassa e questa è la ragione per cui il metodo Hall-Héroult ha avuto successo. L' alluminio fuso è un po' più denso della massa fusa a 950 C e perciò si raccoglie sul fondo della cella, da dove può essere estratto periodicamente. 8

9 Alluminio e le leghe di alluminio Figura 1 : metodo di estrazione dell alluminio 1.2 Classificazione dell alluminio e delle leghe di Alluminio Le leghe di alluminio si dividono in leghe da fonderia per fabbricazione di getti e in leghe da deformazione plastica per la produzione di laminati estrusi e forgiati. La classificazione internazionale ( Alluminium Association) prevede un sistema di quattro cifre in cui: la prima indica la famiglia di leghe; la seconda le eventuali varianti rispetto alla lega originaria, alla quale è riservata la cifra 0; le due ultime cifre indicano infine nella serie 1xxx il grado di purezza dell alluminio e nelle altre serie definiscono specificatamente la combinazione di alliganti, secondo questo indice: 9

10 Alluminio e le leghe di alluminio 1XXX Alluminio con purezza minima 99.00% 2XXX Leghe Al-Cu 3XXX Leghe Al-Mn 4XXX Leghe Al-Si 5XXX Leghe Al-Mg 6XXX Leghe Al-Mg-Si 7XXX Leghe Al-Zn 8XXX Leghe Al con altri elementi 9XXX Serie sperimentale 1.3 Trattamenti termici Facendo riferimento sempre alle norme europee per la classificazione delle leghe di alluminio, la designazione chimica sopraccitata prevede inoltre la collocazione di una lettera, separata da un trattino, che descrive la successione dei trattamenti termici e meccanici che il materiale subisce prima di essere messo in opera. Limitandosi ai punti fondamentali, le principali lettere e cifre hanno il seguente significato: F : grezzo di laminazione definisce il materiale uscente dal normale ciclo di produzione tanto che le proprietà meccaniche non vengono garantite; O : ricotto cristallizzato definisce la qualità più dolce dei prodotti semilavorati; H : incrudito definisce i materiali le cui proprietà meccaniche sono state aumentate per sola deformazione plastica a freddo. H1 : incrudito in questo caso la cifra successiva ad 1 indica il grado di deformazione plastica a freddo: spesso è aggiunta 10

11 Alluminio e le leghe di alluminio un'altra cifra per indicare il grado di controllo della lavorazione o per identificare una combinazione di altre proprietà; H2 : incrudito e parzialmente ricotto Si applica ai materiali di massimo incrudimento, portati poi al livello voluto di proprietà meccaniche con un trattamento termico di parziale ricristallizzazione. H3 : incrudito e stabilizzato. Si applica solo alle leghe di alluminio-magnesio deformate e riscaldate successivamente a bassa temperatura per fissare nel tempo le proprietà. Il grado di incrudimento dopo la stabilizzazione è indicato sempre utilizzando una o più cifre. W : temprato ed invecchiato naturalmente Si applica solo alle leghe che invecchiano a temperatura ambiente dopo tempra di solubilizzazione (viene indicato il tempo di invecchiamento) T : trattato termicamente. Si applica solo ai materiali trattati termicamente, incruditi o meno, ed è seguita da una cifra che va dall 1 al Leghe da fonderia Nelle indicazioni riguardanti la composizione chimica nominale e le proprietà meccaniche delle principali leghe di alluminio da fonderia, viene riportato la tipologia di getto utilizzato, a seconda che siano adatte alla realizzazione di: Getti in sabbia; Getti in conchiglia; Getti presso fusi. 11

12 Alluminio e le leghe di alluminio Colata in sabbia a verde. Questa tecnologia è la più antica e la più ricca di possibilità realizzative; è anche la più vicina ai sistemi di produzione usati nelle fonderie di getti di ghisa. Il modello, che serve per ricavare l impronta esterna del getto, può essere costruito in legno, in resina o in metallo a seconda del numero di getti da produrre e dell intervallo di tempo in cui questi getti sono prodotti, per assicurare la stabilità dimensionale nel tempo. Lo stesso dicasi per le casse d anima, o più frequentemente per le varie casse d anima, usate per realizzare sia le cavità interne che le zone di sottosquadro cioè non sformabili nella direzione principale di sformatura del modello. La compattazione della sabbia sul modello può avvenire mediante pestellatura manuale, a scossa e vibrazione, a compressione idraulica, mediante il vuoto, ecc.; l operazione è detta formatura. L operazione successiva, cioè l estrazione del modello dalla forma, è detta sformatura; l impronta è il negativo del modello e in nessun caso potrà essere più precisa nelle dimensioni e più accurata nello stato di rugosità superficiale del modello stesso. Il modello deve comprendere anche il sistema di colata (cioè i canali verticali e orizzontali di forma e sezione calcolata che convogliano il metallo dall imbuto di colata agli attacchi di colata) e le materozze, cioè le riserve di metallo liquido che, poste in posizione più elevata rispetto al getto, devono raffreddarsi per ultime alimentando le parti più massicce del getto per compensarne il ritiro volumetrico. Il modello può essere a una o più figure (grappolo). La forma normalmente è contenuta in un telaio metallico o staffa di opportuna rigidità e resistenza, ma può essere autoportante se la coesione è tale da fornire alla terra da fonderia una resistenza sufficiente alla pressione metallostatica (motta). La terra argillosa naturale è ormai totalmente sostituita da terre sintetiche ottenute cioè da sabbie silicee a granulometria determinata, legate con bentonite. 12

13 Alluminio e le leghe di alluminio Una percentuale d acqua, anche se ridotta, è pur sempre necessaria per sviluppare le capacità coesive della bentonite: si parla perciò di terra a verde dove verde sta per umido, dall inglese green. L acqua può però decomporsi durante la colata liberando idrogeno e generando quindi porosità; per ovviare a ciò si può eseguire un trattamento di flambatura alla sabbia addizionata con materiali peciosi (a caldo rammolliscono e raffreddandosi danno origine ad uno strato idrorepellente), ottenendo terre a semisecco. Da notare che le condizioni di lento raffreddamento dovute alla bassa conducibilità termica della sabbia non sono favorevoli all ottenimento di strutture compatte e con grano cristallino serrato. Per aumentare la velocità di raffreddamento si introducono i raffreddatori (blocchetti metallici che aiutano a smaltire il calore di solidificazione).le operazioni susseguenti alla formatura sono essenziali: il ramolaggio, cioè il posizionamento accurato delle anime nella forma utilizzando opportuni riferimenti; la chiusura o accoppiamento delle due o più parti della forma; la colata fatta a mano o automaticamente dal forno e seguita dal raffreddamento e solidificazione; la disfatura, cioè l estrazione del getto con il sistema di colata dalla staffa o dalla motta; la sterratura, cioè lo svuotamento dell interno del getto dalla sabbia proveniente dalle anime; la smaterozzatura; cioè la separazione delle materozze e del sistema di colata; la sbavatura, cioè l asportazione delle bave dovute ai piani di divisione della forma; la finitura, cioè l eliminazione delle eventuali asperità superficiali; il trattamento termico, sempre richiesto per getti di qualità; controlli geometrici e collaudi di funzionalità. 13

14 Alluminio e le leghe di alluminio La complessità delle operazioni rende la colata in sabbia a verde più adatta per la produzione in piccola serie dove gioca a favore il minor costo delle attrezzature Colata in conchiglia a gravità. Il metallo riempie la forma per azione della gravità e quindi l ingresso nella conchiglia deve essere situato ad un livello superiore per ottenere la giusta pressione metallostatica. La pressione atmosferica, agendo sulle materozze ancora liquide, riesce a compensare il ritiro dovuto alla solidificazione. L entrata lenta del metallo consente l uso di anime in sabbia sia per ricavare profili interni che per ottenere sottosquadri. La conchiglia è costituita da un minimo di due parti (una mobile e una fissa). La sequenza delle operazioni è la seguente: preparazione della conchiglia (pulizia); colata; estrazione del getto con sterratura; taglio delle materozze e sbavatura delle linee di divisione. Si può influenzare il raffreddamento verniciando con isolanti parti della conchiglia (la verniciatura migliora anche lo scorrimento) o prevedendo tagli termici. Il sistema di colata deve prevedere un passaggio preferenziale per le sezioni sottili. La precisione e la qualità superficiale sono intermedie fra la colata in sabbia e la pressocolata Colata a bassa pressione. La caratteristica fondamentale di questa tecnologia è che la macchina idraulica di movimentazione delle parti mobili della conchiglia è disposta sopra il forno di attesa in modo da consentirne il riempimento dal basso attraverso un tubo verticale in materiale ceramico. Lo stampo 14

15 Alluminio e le leghe di alluminio è a pressione atmosferica mentre il forno viene pressurizzato con aria compressa pari ad una colonna di alluminio di circa 2 m, sufficiente alla salita del metallo nello stampo. Il forno deve essere necessariamente a tenuta e quindi non c è la possibilità di usare il riscaldamento a fiamma, ma è obbligatorio quello elettrico. Dopo un tempo prefissato la sovra-pressione nel forno viene azzerata e il metallo nel tubo di iniezione ritorna nel forno stesso. Le successive operazioni comprendono l estrazione del getto, la sterratura, la sbavatura e il trattamento termico. La smaterozzatura è molto semplice. Recentemente la colata a bassa pressione ha avuto un grande sviluppo tecnologico legato alle esigenze qualitative e quantitative della produzione di cerchioni (foto 5) arrivando a colare contemporaneamente 4 cerchioni. I vantaggi del processo risiedono nell alta resa e nelle operazioni di finitura ridotte. Questa tecnologia ben si presta per ottenere oggetti simmetrici rispetto ad un asse verticale e per quelli privi di zone massive isolate. E possibile mettere lo stampo in depressione invece del forno in pressione (richiede però una migliore progettazione dello stampo per evitare zone dove il metallo non arrivi) come per i processi Alcoa/Toyota.Una variante è costituita dal processo in contropressione: la macchina e il forno (in pressione) sono inseriti in una stanza a circa 10 bar, quindi la solidificazione avviene sotto una pressione pari a m di alluminio con conseguente ottenimento di una struttura molto più compatta e costosa Pressocolata. Conosciuta con il nome inesatto di pressofusione questa tecnologia è la più diffusa per le grandi serie, a causa del basso costo di trasformazione abbinato al minor costo delle leghe secondarie utilizzabili, alla buona precisione dimensionale e all ottimo grado di finitura superficiale. Le caratteristiche meno positive sono l impossibilità di usare le anime in 15

16 Alluminio e le leghe di alluminio sabbia e quindi di ottenere cavità interne non sformabili direttamente, l impossibilità di eseguire sui getti il trattamento termico e la saldatura (a causa delle minuscole particelle di aria che restano intrappolate durante la colata). Il processo di colata sotto pressione si svolge iniettando il metallo ad alta velocità in uno stampo di acciaio tenuto chiuso e bloccato in una pressa idraulica che contrasta l apertura dello stampo (ne esistono da a kn). La forza di iniezione è pari al 15% circa della forza di chiusura per le macchine piccole e al 7% per le grandi. Lo stampo è diviso in due semistampi, uno fisso e l altro mobile. Il gruppo di iniezione è costituito da un contenitore orizzontale entro cui si versa il metallo e in cui scorre il pistone di iniezione. L iniezione viene effettuata in tre fasi con accelerazioni crescenti allo scopo di ottenere un riempimento ottimale dello stampo. Sul semistampo mobile sono disposti gli elementi mobili dello stampo, la cui funzione è quella di ricavare nel getto profili sottosquadro. La disposizione del getto (o dei getti) è studiata in modo da realizzare il riempimento dell impronta dal basso verso l alto, passando attraverso la materozza, i canali di colata, i getti e i pozzetti di lavaggio (destinati ad accogliere ed eliminare il primo metallo, più freddo ed inquinato dal lubrificante). Di grande importanza per questa tecnica è il raffreddamento interno dello stampo, ottenuto con canalizzazioni o linee d acqua disposte opportunamente nelle zone più sollecitate. Importanti sono pure il raffreddamento esterno e la lubrificazione dell impronta effettuati al duplice scopo di facilitare lo scorrimento del metallo e il distacco del grappolo dallo stampo. La temperatura a regime dello stampo è compresa fra 180 e 230 C. Rispetto alle altre tecnologie qui è eseguita la pallinatura. L ottenimento degli alti livelli di produttività è condizionato però da elevatissimi investimenti nelle macchine e nei dispositivi ausiliari, da una progettazione molto sofisticata degli stampi 16

17 Alluminio e le leghe di alluminio con conseguenti alti costi di produzione e dalla disponibilità di personale specializzato per la manutenzione delle macchine e degli stampi. Per migliorare la qualità del prodotto si può intervenire sull iniezione. Un sistema particolare realizza l iniezione in un unica fase, con un andamento a parabola della velocità del pistone nell intento di evitare il ripiegamento su se stesso del metallo al momento del passaggio dalla bassa alla alta velocità, che altrimenti causa l intrappolamento dell aria nel getto. Le inclusioni d aria si possono anche evitare facendo il vuoto nello stampo, che determina una maggiore qualità per i getti a parete sottile e consente il trattamento termico 1.5 Leghe da deformazione plastica La maggior parte delle leghe di alluminio viene utilizzata allo stato semilavorato, cioè viene realizzata per deformazione plastica. Grazie all affinamento e all omogeneizzazione del grano e all incrudimento introdotto dalla lavorazione meccanica della lega laminata, viene aumentata la resistenza meccanica. Le leghe si suddividono in due grosse categorie: 1. leghe non trattabili termicamente, ovvero induribili solo per deformazione plastica a freddo (stato metallurgico H) 2. leghe trattabili termicamente, cioè induribili per precipitazione di fasi coerenti e semicoerenti (stato metallurgico T) Leghe non trattabili termicamente Queste classe di leghe è rinforzata a deformazione plastica a freddo e le procedure effettuatesi mirano a migliorarne le proprietà meccaniche. 17

18 Alluminio e le leghe di alluminio Leghe trattabili termicamente I principali trattamenti termici dell alluminio e delle leghe di alluminio comprendono : ricottura distensione; solubilizzazione; indurimento per precipitazione (invecchiamento) 1.6 Indurimento per Precipitazione Il trattamento termico si riferisce a tutte quelle operazioni di raffreddamento e di riscaldamento che sono eseguite con l intento di cambiare proprietà meccaniche, struttura metallurgica o lo stato di stress residuo di un prodotto metallico. Comunque, quando il termine è applicato alle leghe in Alluminio, il suo uso è spesso ristretto alle specifiche operazioni impiegate per incrementare la durezza e la resistenza delle leghe suscettibili di indurimento per precipitazione. Tale meccanismo consiste in un aumento della difficoltà nel moto delle dislocazioni a seguito di un opportuna distribuzione di particelle all interno dei grani. E opportuno evitare la formazione dei precipitati a bordo grano, dal momento che il bordo grano si comporta già come una barriera al moto dislocazionale Queste sono generalmente indicate come le heat treatable alloys per distinguerle da quelle leghe nelle quali alcun rilevante indurimento può essere ottenuto scaldando o raffreddando. Per queste ultime, generalmente dette non heat treatable alloys, l indurimento è ottenuto per lavorazione a freddo. Un essenziale attributo affinché una lega indurisca per precipitazione è che il suo diagramma di fase presenti la curva di solubilità che aumenta con la temperatura. 18

19 Alluminio e le leghe di alluminio Sebbene molti dei sistemi binari a base di alluminio presentino questo attributo, molti mostrano un indurimento per precipitazione poco rilevante, queste leghe non sono quindi considerate heat treatable. I maggiori gruppi di leghe che presentano un considerevole indurimento includono: Alluminio Rame Alluminio Rame Magnesio Alluminio Magnesio Silicio Alluminio Zinco Magnesio Alluminio Zinco Magnesio Rame Il trattamento termico tipico consiste in tre stadi noti come : 1. Solubilizzazione viene condotta ad una temperatura superiore a quella corrispondente al limite di solubilità della percentuale di soluto in esame all interno dell alluminio per un tempo sufficiente a garantirne l omogeneizzazione; 2. Tempra La tempra consiste nel raffreddamento molto rapido del metallo scaldato immergendolo in un liquido refrigerante come può essere l acqua, o nel caso di tempra criogenica, alla temperatura dell azoto liquido. Quest operazione impedisce un apprezzabile diffusione degli elementi, così si può assumere che la soluzione solida viene portata a temperatura ambiente essenzialmente senza variazioni. Così la lega che era leggermente insatura alle temperature più alte, diviene a temperatura ambiente estremamente insatura. La lega quindi è in una condizione molto instabile e, compatibilmente con le condizioni 19

20 Alluminio e le leghe di alluminio ambientali, evolverà spontaneamente verso una condizione di maggior equilibrio 3. Invecchiamento (ageing) è la parte fondamentale del trattamento e prevede il mantenimento della lega ad una temperatura intermedia tra quella di solubilizzazione e quella ambiente. Un metodo usato per sviluppare le proprietà delle leghe è quello di condurre una precipitazione controllata di particelle molto fini sia a temperatura ambiente (natural aging) sia elevata (artificial aging). In genere, la precipitazione non comincia immediatamente ma richiede un cosiddetto incubation time per formare dei nuclei sufficientemente grandi e stabili; dopo di che può avere inizio il processo di crescita.la velocità alla quale avviene la precipitazione varia con la temperatura. A temperature molto basse la velocità di reazione è controllata dalla velocità alla quale gli atomi possono migrare. A temperature appena al di sotto la solvus line la velocità di precipitazione è molto bassa, poiché la velocità di nucleazione è bassa essendo la soluzione solo leggermente sovrasatura quindi in questo caso la precipitazione è controllata dalla velocità con cui i nuclei possono formarsi.a temperature intermedie tra i due appena menzionati estremi, la velocità di precipitazione aumenta sino a raggiungere un massimo e quindi il tempo per completare la precipitazione è molto corto.sperimentalmente è possibile ottenere la tipica hardening curve, mostrando l effetto del tempo sulla durezza.la forma della curva di invecchiamento, dipende primariamente da due variabili, la temperatura e la composizione della lega. 20

21 Alluminio e le leghe di alluminio 1.7 Principali leghe di Alluminio Serie 1000: (Alluminio industrialmente puro - almeno 99%); le leghe di questa serie sono caratterizzate da eccellente resistenza alla corrosione, conducibilità termica ed elettrica elevate, buona lavorabilità, caratteristiche meccaniche piuttosto basse. Le caratteristiche meccaniche possono essere aumentate, entro certi limiti, mediante incrudimento. Le principali applicazioni comprendono impianti chimici, corpi riflettenti, scambiatori di calore, conduttori e condensatori elettrici, applicazioni architettoniche e decorative. Serie 2000: (nome commerciale Avional); il principale elemento di lega è il Rame; in alcune leghe vi sono aggiunte di magnesio e manganese. Si tratta di leghe da trattamento termico (richiedono un trattamento di solubilizzazione, tempra ed invecchiamento per sviluppare i valori meccanici di impiego); dopo trattamento termico sviluppano caratteristiche meccaniche confrontabili con quelle degli acciai al carbonio. Per esempio la lega possiede, dopo tempra di solubilizzazione, un carico di rottura di 178 MPa ed un allungamento percentuale del 22% ; per invecchiamento naturale la resistenza cresce 21

22 Alluminio e le leghe di alluminio rapidamente nelle prime ore e dopo 4-5 giorni si stabilizza intorno a valori di 425 MPa, mentre l allungamento rimane invariato. La loro resistenza alla corrosione è meno elevata di quella di altre leghe di Alluminio; per questo motivo in applicazioni critiche richiedono opportuni sistemi di protezione; per la medesima ragione le lamiere sottili sono disponibili anche in versione placcata con altre leghe di Alluminio con migliore resistenza a corrosione. Vengono utilizzate per parti e strutture che richiedono elevati rapporti resistenza/peso (ruote di velivoli e mezzi di trasporto terrestre, strutture aeronautiche, sospensioni automobilistiche) per temperature di impiego fino a circa 150 C. Sono caratterizzate da eccellente lavorabilità alle macchine utensili e (tranne la lega 2219) da limitata saldabilità per fusione. Il sistema Alluminio - Rame possiede un eutettico Al-AlCu 2 alla temperatura di 548 C e alla composizione 33% di Cu in peso. L indurimento di queste leghe avviene per precipitazione. 22

23 Alluminio e le leghe di alluminio Le leghe binarie Al-Cu non sono molto usate commercialmente. Con l aggiunta di elementi quali Mg, Mn, Si, Ni, Li, esse vengono usate spesso per applicazioni strutturali sugli aerei e in generale dove occorrono buone caratteristiche meccaniche e leggerezza Esempi di leghe Al-Cu Lega 2017(semilavorate): contenente il 4% di rame ed è utilizzata per chiodature di strutture aeronautiche; è una lega invecchiabile naturalmente e viene conservata dopo solubilizzazione a temperatura ambiente. Ha una buona duttilità ed è possibile accrescere la durezza e la resistenza meccanica con successivi riscaldamenti. Lega 2024(semilavorate): contenente il 4.5 % di rame e l 1.5 % di magnesio possiede allo stato di invecchiamento naturale la resistenza meccanica più elevata, tuttavia il maggior tenore di magnesio rispetto alla 2017 rende più difficile la produzione Lega 2218(semilavorate): contenente il 4.5 % di rame e il 2 % di nichel e stata recentemente sviluppata per usi a temperature elevate quali si hanno nelle teste forgiate di cilindri e pistoni Serie 3000: il principale elemento in lega è il Manganese; in generale il vantaggio conferito dal Manganese è quello di aumentare la resistenza meccanica delle leghe lavorate e di ridurre la sensibilità alla corrosione intergranulare ed alla stress corrosion, ma l eventuale presenza di composti intermetallici causa una diminuzione di duttilità. Le leghe Al- Mn formano un eutettico alla temperatura di 658 C e per una composizione del 2% in manganese; la fase intermetallica che si separa è MnAl 6 23

24 Alluminio e le leghe di alluminio. Questo sistema si trova raramente in equilibrio e il Manganese, che ha una solubilità molto ridotta nell Alluminio, non è portato in soluzione solida nella percentuale prevista dal diagramma di stato, e così MnAl 6 appare come microcostituente anche per percentuali molto basse di manganese; infatti è usato in percentuali di poco superiori all 1% in peso nelle leghe non trattabili termicamente e in quantità maggiori nelle leghe trattabili al calore Esempi di leghe Al-Mn Lega 3003(semilavorate): contenente lo 0,12% di rame e l 1,2 % di manganese: presenta buone caratteristiche di formabilità e saldabilità, nonche buona resistenza alla corrosione. Il suo campo applicativo riguarda la realizzazione di utensili e contenitori di sostanze alimentari e chimiche, serbatoi recipienti in pressione e tubazioni. 24

25 Alluminio e le leghe di alluminio Serie 4000: il principale elemento di lega è il Silicio; la sua importanza è dovuta all aumento di fluidità e alla riduzione del coefficiente di dilatazione termica conferito dall aggiunta di piccole quantità di questo alligante, proprietà molto utile nella tecnologia dei getti e nelle saldature. Il sistema Al-Si forma un eutettico alla temperatura di 577 C ad una percentuale di silicio dell 11.7% in peso; poiché questo sistema non forma composti intermetallici, il Silicio precipita direttamente dalla matrice della soluzione solida primaria. La durezza delle particelle di Silicio conferisce infine una buona resistenza all usura. Nell uso commerciale a questo sistema vengono aggiunti altri elementi in lega quali per esempio il Rame e il Magnesio. Le proprietà di talune leghe di alluminio-silicio possono essere migliorate mediante inoculazione di piccoli tenori di sodio metallico nel bagno poco prima della colata, in quanto ciò permette l affinamento del grano e di conseguenza si ottiene una struttura più tenace. 25

26 Alluminio e le leghe di alluminio Esempi di leghe Al-Si Lega 4032(semilavorate): contenente lo 12,2 % di silicio, lo 0,9 % di rame e l 1,0 % di magnesio ha buona forgiabilità e basso coefficiente di espansione termica. E usata per pistoni forgiati di automobili Lega 13-lega 43(in getto): contenente rispettivamente il 12 % e il 5 % di silicio, hanno un eccellente colabilità e resistenza alla corrosione; sono usate per getti di forma complessa a tenuta di pressione, come apparecchiature di manipolazione di sostanze alimentari e raccorderai marina Serie 5000: (nome commerciale Peraluman); il principale elemento di lega è il Magnesio, che conferisce doti particolari di resistenza alla corrosione, oltre a buona resistenza a caldo ed ottime doti di duttilità e lavorabilità. In genere non richiede trattamento termico di invecchiamento e presentano buona saldabilità per fusione. Il Magnesio mostra una buona solubilità nell alluminio (seconda solo allo zinco) e, per questo, leghe con concentrazioni minori del 7% non mostrano una apprezzabile precipitazione (tuttavia se sono presenti altri elementi questa percentuale diminuisce), ma è possibile comunque ottenere un discreto effetto indurente tramite la lavorazione a freddo, visto che il Magnesio permette di conservare un ottima duttilità; infatti si tratta di leghe da incrudimento le cui caratteristiche meccaniche possono essere aumentate mediante laminazione a freddo, mentre non si possono aumentare mediante trattamento termico; le caratteristiche meccaniche sono in generale inferiori a quelle delle leghe della serie 2XXX. Il Magnesio fornisce inoltre un eccellente resistenza alla corrosione e una buona saldabilità: queste caratteristiche vengono sfruttate nella costruzione delle carrozzerie in Alluminio. La resistenza alla corrosione è elevata, anche in ambiente marino. 26

27 Alluminio e le leghe di alluminio L eutettico Al-Mg 2 Al 3 si ha ad una concentrazione di 35% di Mg in peso ad una temperatura di 450 C. Per causare la precipitazione di Mg 2 Al 3 (fase b), che ha un reticolo f.c.c., la lega deve essere trattata a temperature tra 200 e 300 C e per un tempo dipendente dalla temperatura scelta. La precipitazione avviene preferenzialmente sui piani {100}, seguita da quella sui piani {120}. La precipitazione può essere continua o discontinua, a seconda della temperatura di tempra adottata; quella continua genera una struttura di tipo "Wiedmastatten", la cui dimensione principale decresce all aumentare della temperatura di tempra e mostra un limitato effetto indurente. La modalità di formazione della fase b è importante anche per la resistenza alla corrosione: per ottimizzarla, essa deve presentarsi in particelle discrete priva di struttura tipo network a bordo grano, da evitare anche perché riduce drasticamente la duttilità. 27

28 Alluminio e le leghe di alluminio Esempi di leghe Al-Mg Lega 5052(semilavorate): contenente lo 2,5 % di magnesio e lo 0,25 % di cromo; è utilizzata per tubature di olio combustibile e di gasolio. Lega 5083(semilavorate) :contenente lo 4,4 % di magnesio e lo 0,7 % di manganese e lo 0,25 % di cromo; utilizzata per applicazioni marine e strutture saldate. Lega 5056(semilavorate) :contenente lo 5 % di magnesio e lo 0,12 % di manganese e lo 0,12 % di cromo, il cui utilizzo riguarda guaine di cavi e chiodatura di componenti strutturali in lega di magnesio. Lega (in getto) : contenenti rispettivamente il 4%, l 8% e il 10 % di magnesio presentano la migliore resistenza alla corrosione in acqua di mare e le più elevate proprietà meccaniche tra tutte le leghe di Al-Mg, con la sola differenza che la 220 è la sola lega induribile per invecchiamento Serie 6000: (nome commerciale Anticorodal); i principali elementi di lega sono Silicio e Magnesio. Si tratta di leghe da trattamento termico; dopo trattamento termico sviluppano caratteristiche meccaniche intermedie, in generali inferiori a quelle delle leghe della serie Presentano buona formabilità, lavorabilità, truciolabilità e saldabilità. Vengono utilizzate per applicazioni architettoniche, telai motociclistici e ciclistici, strutture saldate in genere. Questo sistema costituisce la classe principale di leghe per i pezzi lavorati a caldo e per quelli ricavati da fusione. Esse riescono a combinare alcune caratteristiche favorevoli: buone resistenze meccaniche, sensibilità relativamente bassa alla tempra, buona resistenza alla corrosione. L indurimento avviene soprattutto per precipitazione del composto Mg 2 Si. Per ottenere prodotti estrusi con questa lega normalmente si mantengono Mg e Si al di sotto dell 1.5% in peso. Il Silicio, infine, 28

29 Alluminio e le leghe di alluminio aumenta la fluidità del fuso e riduce il coefficiente di dilatazione, come già detto anche per le leghe Al-Si; inoltre aumenta la resistenza alla corrosione intergranulare tipica di questa lega Esempi di leghe Al-Si-Mg Il magnesio ed il silicio si combinano insieme formando un composto, denominato il siliciuro di magnesio (Mg 2 Si), che a sua volta forma un eutettico con l alluminio. La maggior resistenza meccanica, infatti è dovuta alla precipitazione del composto Mg 2 Si, dopo invecchiamento, nella soluzione di alluminio. Lega 6061 (semilavorate): contenente lo 0,6 % di silicio, lo 0,28 % di rame, l 1 % di manganese e lo 0,2 % di cromo; Lega 6063 (semilavorate): contenente lo 0,4 % di silicio, lo 0,7 % di manganese, entrambe caratterizzate da un eccellente resistenza alla corrosione e risultano più lavorabili di altre leghe trattabili termicamente. Tipiche applicazioni includono parti di aereo, mobili, parapatti di ponti ed elementi architettonici. Lega 355 (in getto) : contenente il 5 % di silicio, l 1,3 % di rame, e lo 0,5 % di manganese; Lega 356 (in getto) : contenente il 7 % di silicio, lo 0,3 % di manganese e lo 0,2 % di ferro; Lega 360 (in getto) : contenente il 9,5 % di silicio, lo 0,55 % di manganese e l 1 % di ferro, hanno una combinazione ottimale di colabilità, compattezza e resistenza alla corrosione ed alle sollecitazioni. Inoltre dopo trattamento termico possiedono proprietà meccaniche molto simili a quelle delle leghe di alluminio-rame. 29

30 Alluminio e le leghe di alluminio Serie 7000: (nome commerciale Ergal); Il principale elemento di lega è lo Zinco, l elemento che ha la solubilità più elevata nell alluminio, e con esso forma un eutettico ad una concentrazione del 95% in peso di Zn alla temperatura di 382 C: così, per quasi tutte le composizioni, si ha solidificazione di una soluzione solida primaria; al calare della temperatura il suo campo di stabilità crolla e si ha precipitazione di Zinco. Generalmente le leghe binari Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg. Si tratta di leghe da trattamento termico; queste leghe sviluppano le caratteristiche meccaniche più elevate tra le leghe d Alluminio; lo Zinco aumenta la resistenza e la durezza, oltre a favorire l autotemprabilità della lega. Le leghe Al-Zn-Mg, trattate termicamente, hanno la più elevata resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio. Le leghe con le caratteristiche meccaniche più elevate possono presentare sensibilità a tensocorrosione; per questo motivo sono stati sviluppati trattamenti "stabilizzanti" specifici. Presentano buona lavorabilità alle macchine utensili e, nella maggior parte dei casi, scarsa saldabilità per fusione. Vengono utilizzate per strutture aeronautiche e di mezzi di trasporto, ed in generale per parti molto sollecitate. 30

31 Alluminio e le leghe di alluminio Esempi di leghe Al-Zn Lega 7079 (semilavorate) : contenente lo 0,6 % di rame, lo 0,2 % di manganese,il 3,3 % di magnesio, lo 0,17 % di cromo e il 6,7 % di zinco. Lega 7178 (semilavorate) : contenente il 2,7 % di magnesio, lo 0,26 % di cromo e il 6,8 % di zinco. 31

32 Alluminio e le leghe di alluminio 1.8 Trattamenti Superficiali- Anodizzazione I trattamenti chimici di conversione superficiale hanno un ruolo molto importante nella tecnologia dell Alluminio, e quelli utilizzati per le leghe di alluminio sono: Trattamenti di preparazione delle superfici: sgrossatura, decapaggio, lucidatura chimica e lucidatura elettrolitica; Trattamenti meccanici: pallinatura, smerigliatura, lucidatura, brillatura, sabbiatura, spazzolatura; Trattamenti chimici ed elettrolitici: passivazione chimica, anodizzazione, rivestimenti galvanici; Trattamenti fisici: metallizzazione a spruzzo, metallizzazione sotto vuoto, metallizzazione per immersione. Tuttavia i risultati ottenibili con questi metodi sono globalmente inferiori a quelli ottenuti con il processo di anodizzazione con bagni di acido solforico per qualità di finitura, range di applicazioni e protezione alla corrosione. I ricoprimenti ottenuti per via elettrolitica sono superiori anche dal punto di vista meccanico e di resistenza all abrasione. La natura porosa dei film di ossidi permette anche la produzione di ricoprimenti colorati tramite la deposizione di pigmenti organici e metallici. Figura 2 : processo di anodizzazione 32

33 Alluminio e le leghe di alluminio Quando una corrente elettrica è fatta circolare attraverso una cella elettrolitica nella quale l Alluminio funge da anodo, gli anioni migrano verso l anodo, al quale cedono le cariche elettriche che trasportano, e si depositano su di esso In soluzione acquosa gli anioni sono costituiti in gran parte da Ossigeno, il quale si combina con l Alluminio. In funzione della solubilità delle specie chimiche che si depositano sul metallo si possono avere quattro condizioni distinte: 1. Prodotti insolubili nell elettrolita: formano uno strato molto adeso e in pratica elettricamente non conduttivo sull anodo. La crescita del film procede finché la resistenza dello strato non impedisce la circolazione della corrente. Gli spessori degli strati prodotti sono normalmente molti sottili e compatti. Sono ottenuti in soluzioni di sali di borati o tartarati, con l applicazione di elevati campi elettrici, soprattutto per la protezione di substrati di piccolissimo spessore. 2. Prodotti poco solubili nell elettrolita: formano uno strato ad elevata adesione, isolante se asciutto. In questo caso la crescita del film avviene in contemporanea alla sua parziale dissoluzione, portando alla formazione di porosità che garantisce la circolazione della corrente fino ad un valore limite, al quale il tasso di crescita dell ossido uguaglia quello della sua dissoluzione e la crescita perciò si arresta. Lo spessore massimo ottenibile dipende da molti fattori, tra i quali la natura dell elettrolita e la geometria del campo applicato. E importante notare che la reazione di anodizzazione avviene all interfaccia Alluminio Ossido di Alluminio, ovvero il film cresce dall interno, con conseguente consumo di materiale del substrato, che diventa 33

34 Alluminio e le leghe di alluminio via via più sottile. Tuttavia le dimensioni totali del manufatto aumentano a causa del maggior volume occupato dallo strato d ossido. Questa condizione è impiegata nei processi industriali che operano con acido cromico, solforico od ossalico. 3. Prodotti di formazione moderatamente solubili: in queste condizioni il risultato dell operazione è di una pulizia elettrolitica della superficie del metallo, simile nei risultati ad un lavaggio chimico, e generalmente utilizzata come trattamento di preparazione ad operazioni successive. 4. Prodotti di formazione solubili: in questa condizione il metallo si dissolve finché non satura la soluzione; avviene in acidi e basi forti. Ne deriva perdita degli strati superficiali dello stesso, che una volta riportato in ambiente naturale si ossida e passiva molto velocemente. Spesso, al termine del processo di anodizzazione vera e propria, si effettua una sigillatura della porosità tramite idratazione dello strato piu esterno, che acquista così una migliore finitura superficiale. E possibile anche operare un trattamento di colorazione, con particolari processi anche di elettrocolorazione. 1.9 Saldatura L allumino e le sue leghe sono saldabili in diversa misura a seconda della composizione chimica e delle peculiarità fisico-meccaniche; i componenti in lega di alluminio possono essere collegati tramite una grande varietà di metodi, tra i quali menzioniamo: 34

35 Alluminio e le leghe di alluminio La saldatura ossiacetilenica, caduta in disuso perché più lenta di TIG e MIG, può causare distorsioni del pezzo per eccessivo surriscaldamento; prevede l uso di fondenti costituiti da fluoruri e cloruri alcalini (Litio, Sodio, Potassio) che reagiscono con l allumina trasformandola in sali leggeri che rimangono sulla superficie del bagno. A saldatura ultimata si deve procedere ad un accurato lavaggio per evitare fenomeni di corrosione (bacchette tubolari contenenti il fondente si trovano in commercio). La saldatura elettrica per resistenza è applicabile senza impiego di fondenti ma considerata l elevata conduttività elettrica e termica di queste leghe sono necessarie elevate intensità di corrente e tempi brevissimi. Viene utilizzata per spessori fino a 5 mm. Le saldature al plasma, con fascio elettronico e laser, forniscono dei giunti molto efficienti ma quasi sempre prevalgono considerazioni economiche a scapito della alta resistenza, elevata affidabilità e qualità portando alla scelta di altre tecniche di saldatura. Industrialmente i processi maggiormente impiegati sono il MIG (metal inert gas welding): saldatura ad arco sotto gas inerte con elettrodo di metallo fusibile alimentato in corrente continua e polarità inversa, il TIG (tungsten inert gas welding): saldatura ad arco in atmosfera inerte con elettrodo di tungsteno in genere alimentato da corrente alternata. 35

36 Alluminio e le leghe di alluminio Uno dei problemi che, purtroppo, si riscontrano nella saldatura è la forte tendenza dell alluminio e delle sue leghe a ricoprirsi rapidamente di uno strato di ossido (Al 2 O 3 )che ostacola il processo di saldatura per il suo elevato punto di fusione. Altro aspetto da tener presente è che sia la dilatazione termica, sia il ritiro durante la solidificazione sono rilevanti in questi materiali e ciò comporta la formazione di cricche durante la saldatura. 36

37 Magnesio e le leghe di Magnesio 2.1 Magnesio e le leghe di Magnesio Il magnesio è l elemento chimico facente parte dei metalli alcalini terrosi del blocco p e le cui proprietà generali sono le seguenti: Elemento di numero atomico 12 con struttura reticolare a temperatura ambiente di tipo e.c. ovvero esagonale compatto; Configurazione elettronica Ne3s²; Densità 1,74 g/cm^3; Durezza Brinnell (HB) 2,5; Punto di fusione 649,85 C; Carico di rottura MPa; Modulo di elasticità 45 GPa; Allungamento a rottura 4-6 %; Aspetto bianco argento; Basso peso specifico, pari a circa due terzi di quello dell alluminio; Eccellente lavorabilità meccanica; Buone caratteristiche di resistenza e di stabilità alla corrosione; Ottima saldabilità (a gas, ad arco elettrico, per resistenza; Ottima capacità di smorzamento delle vibrazioni; Buona resistenza all usura; Alta conducibilità termica ed elettrica; Buona resistenza a fatica; Bassa inerzia; Alta capacità di deformazione a caldo; Possibilità di protezione anticorrosione; Ottima colabilità; Atossicità ; Non magnetico. 37

38 Magnesio e le leghe di Magnesio 2.2 Estrazione del Magnesio Il magnesio è l ottavo elemento più abbondante sulla crosta terrestre e rappresenta circa il 2,5% della sua composizione. Nello schema seguente sono riportati i metodi di produzione dei lingotti di magnesio attualmente più diffusi. Processi a raffinazione elettrolitica I.G. DOW PROCESSI DI PRODUZIONE DEI LINGOTTI AMC PIDGEON Processi a reazione MAGNETHERMM I processi elettrolitici interessano il cloruro di magnesio anidro (MgCl 2 ) ricavato dall acqua del mare, dei laghi salati e dalla magnesite che costituisce circa l 80% dell output, mentre i processi termici interessano la riduzione dell ossido di magnesio (MgO) per mezzo del ferro-silicio, derivato dai minerali carbonati come la dolomite [CaMg(CO 3 ) 2 ] e la magnesite [MgCO 3 ]. La calcinazione della magnesite produce anche ossido di magnesio, di cui un enorme quantità viene usata per la produzione di refrattari. La quantità di energia in gioco nella produzione di magnesio metallico è 38

39 Magnesio e le leghe di Magnesio molto elevata a causa della sua reattività; si passa così dai 394 MJ/Kg del processo elettrolitico ai 276 MJ/Kg del processo magnetotermico Il Processo Elettrolitico L elettrolisi del cloruro di magnesio fuso si compie in vasche di ghisa o di ferro: l anodo A (fig. 19) è di grafite, il catodo C di ferro. Il cloro che si sviluppa all anodo viene convogliato all esterno, mediante opportuno dispositivo che ne impedisce il contatto con il magnesio. Il riscaldamento della cella di elettrolisi può essere eseguito sia dall esterno, sia per azione della stessa corrente che provoca l elettrolisi. Si ottiene magnesio puro al 99.9% Figura 3: cella elettrolitica per la produzione del magnesio: (A) anodo di grafite; (B) aperture per riscaldamento a gas; (C) catodi di ferro; (G) recipiente di ghisa; (R) refrattario. Il cloruro di magnesio anidro per l elettrolisi può essere preparato per disidratazione del biidrato in corrente di acido cloridrico secco, o di cloruro di ammonio. Esso si prepara inoltre su vasta scala facendo reagire il cloro, che si sviluppa dalle celle di elettrolisi, su una miscela di ossido di magnesio e carbone. 39

40 Magnesio e le leghe di Magnesio L ossido di magnesio, mescolato con coke in polvere, viene foggiato a forma di sferette, usando cloruro di magnesio come legante. Le sferette vengono riscaldate e poi caricate nell impianto di clorurazione in cui si raggiunge una temperatura di 1100 C mediante riscaldamento elettrico. Il risultato è il cloruro di magnesio anidro, secondo la reazione: MgO C + Cl MgCl + CO il quale passa direttamente nelle celle di elettrolisi [2,3,10]. Per ciò che riguarda i processi riportati nella figura 1.16, quelli di natura elettrolitica si differenziano sopratutto per il grado di idratazione dell MgCl 2 e per la struttura della cella elettrolitica. In particolare: Processo I.G. (IG Farbenindustrie): è simile a quello usato attualmente dalla compagnia norvegese Norsk Hydro che è il principale produttore europeo di questo metallo. Esso usa ossido di magnesio anidro, derivato dai minerali contenuti nell acqua di mare. L ossido è trattato con un agente riducente (carbon coke polverizzato), e una soluzione di cloruro di magnesio; da tale reazione si ottiene il cloruro di magnesio anidro per alimentare la cella elettrolitica [2,3,10]. Nella cella il magnesio si deposita sui catodi. Processo Dow (Dow Chemical Company): estrae il cloruro di magnesio dall acqua del mare. L acqua di mare viene portata in grandi vasche in cui viene aggiunto ossido di calcio che provoca la precipitazione del magnesio idrato Mg(OH) 2 insolubile, il quale, dopo filtrazione, viene trasformato in cloruro per il trattamento con acido cloridrico [2,3,10]. La soluzione è successivamente concentrata ed essiccata e l MgCl 2 ottenuto, è pronto per alimentare la cella elettrolitica. 40

41 Magnesio e le leghe di Magnesio Il Processo Termico I processi termici, utilizzati per l estrazione del magnesio, sono due: 1. quello carbo-termico (processo PIDGEON) 2. quello silico-termico (processo MAGNETHERM) Nel processo carbo-termico si può ottenere il magnesio per riduzione con carbone dell ossido di magnesio secondo la reazione MgO + C Mg + CO In un forno elettrico ad arco vengono introdotte dall alto mattonelle fortemente compresse di ossido di magnesio e carbone (fig. 20). Figura 4: schema di produzione del magnesio con processo carbo-termico. A, bricchette con MgO; B, H 2 ; C, forno; D, ciclone; E, filtro; F, H 2 +CO; G, polvere di Mg; H, forno di distillazione; I, refrigerante; L, filtro e refrigerante olio; M, pompa; N, Mg in sfere; O, compressore H 2 +CO; P, torre di assorbimento CO 2 ; Q, vapore H 2 O; R, S, liquido assorbimento della CO 2 ; T, reattore catalitico. Figura 5: schema di produzione di magnesio con processo silico-termico. A, CO 2 ; B, MgCa (CO 3 ) 2 ; C, forno di calcinazione; D, Fe-Si; E, MgO + CaO; F, mulino; G, CaF 2 ; H, silos e dosatori; I, brichettazione; L, mescolatore; M, pompa a vuoto; N, forni, O, Mg grezzo; P, lingottatura automatica; Q, Mg fuso; R, flusso, S, residuo Ca 2 SiO 4, Fe; T, forno di rifusione; U, Mg lingottato. 41

42 Magnesio e le leghe di Magnesio Alla temperatura del forno, 2500 C, si ottengono vapori di magnesio e ossido di carbonio, che escono da una apertura laterale del forno in cui arriva una corrente di idrogeno freddo. I vapori di magnesio si condensano sotto forma di polvere, che si separa dalla miscela di idrogeno ed ossido di carbonio. Quest ultima passa in un reattore catalitico, ove, per azione di vapor d acqua, l ossido di carbonio viene ossidato ad anidride carbonica, con formazione di nuovo idrogeno. Dopo separazione dell anidride carbonica l idrogeno essiccato ritorna in ciclo. La polvere di magnesio, contenente 90% di magnesio, dopo compressione a forma di mattonelle, viene distillata sotto vuoto e si ottiene cosi magnesio distillato con purezza del 99.5% [2,3,10]. Il processo silico-termico, noto anche come Pidgeon process impiega come materia prima la dolomite. Tale processo utilizza, per la riduzione dell ossido di magnesio, del ferro-silicio al posto del carbone; si ha il vantaggio di poter operare a temperatura molto più bassa ( C). Si parte da dolomite calcinata e la reazione di riduzione è la seguente: Si + ( CaO MgO) 2Mg + 2CaO SiO2 Si opera nel vuoto e la reazione viene spostata verso destra mediante il continuo allontanamento del magnesio che distilla (figura 21). Una piccola aggiunta di fluoruro di calcio alla miscela accelera leggermente la reazione. I vantaggi del processo Pidgeon sono il costo relativamente basso del capitale e i requisiti meno rigidi sulla purezza del materiale grezzo di partenza. Per contro richiede un lungo tempo di ciclo (circa 8 ore) per produrre 20 kg di magnesio per forno [2]. 42

43 Magnesio e le leghe di Magnesio Il processo Magnetherm (Francis Pechiney Electrometallurgie) usa un forno elettrico ad arco operante ad una temperatura di C e ad un livello di vuoto di Torr. Poiché la reazione si verifica allo stato liquido, il tempo richiesto per il suo completamento è minore di quello richiesto per il processo Pidgeon. Il forno può essere caricato continuamente e scaricato a intervalli regolari. Il processo magnetotermico sfrutta come materie prime il silicato ferroso (FeSi), l allumina (Al 2 O 3 ) e la dolomite ed è dal punto di vista dei consumi energetici il più economico 2.3 Classificazione del Magnesio e delle leghe di Magnesio. Il magnesio si trova facilmente in commercio con purezze che superano il 99,80 %, tuttavia è raramente usato per applicazioni industriali senza essere legato con altri metalli, a causa delle sue proprietà meccaniche non eccelse. Gli alliganti tipici come alluminio, manganese, zinco, torio, zirconio, argento, terre rare permettono di ottenere leghe leggere per applicazioni strutturali. L alligazione del magnesio con tali elementi è resa possibile dal suo diametro atomico (0,320 nm) che rende favorevoli i fattori dimensionali per l ottenimento di soluzioni solide [2]. La quantità massima di elementi alliganti è limitata dalla solubilità allo stato liquido dell elemento nel metallo fuso così come dalle interferenze tra elementi competitivi aggiunti. La designazione e la composizione chimica a cui si fa riferimento per le leghe di magnesio è quella ASTM fissata nella ASTM B 275. Nella seguente figura viene spiegato il modo in cui le leghe di magnesio sono designate secondo tale norma: 43

44 Magnesio e le leghe di Magnesio La designazione si compone di quattro parti: la prima indica i due principali elementi alliganti, la seconda la quantità in percentuale dei due maggiori elementi alliganti, la terza serve a distinguere leghe diverse, ma aventi la stessa quantità in percentuale dei due maggiori elementi alliganti, la quarta parte indica l eventuale trattamento termico subito. 2.4 Proprietà chimiche e meccaniche Il magnesio risulta chimicamente inerte rispetto alla maggior parte delle basi e a molti composti organici; risulta invece sensibile all attacco acido. Infatti il comportamento alla corrosione è strettamente correlato alla purezza del metallo. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, possiamo dire che l avere una bassa densità, un alta resistenza, e una grande rigidità ha reso il magnesio e le sue leghe particolarmente versatili. 44

45 Magnesio e le leghe di Magnesio Riportiamo di seguito una tabella in cui vengono elencate le caratteristiche chimiche-meccaniche del magnesio: 2.4.1Caratteristiche chimiche Caratteristiche meccaniche 45

46 Magnesio e le leghe di Magnesio 2.5 Trattamenti Termici La designazione delle condizioni di trattamento termico è analoga a quella descritta per le leghe di alluminio, che per brevità, ne riportiamo solo una tabelle riassuntiva: F nessun trattamento termico O ricottura H10, H11 incrudimento leggero H23, H24, H26 incrudimento e ricottura parziale T4 tempra in soluzione T5 invecchiamento artificiale T6 tempra per soluzione e invecchiamento artificiale T8 tempra per soluzione, lavorazione a freddo e invecchiamento artificiale 2.6 Leghe da fonderia I processi di formatura delle leghe di magnesio si possono dividere in due gruppi: 1. processi di produzione per getti 2. processi di produzione per deformazione plastica (sono effettuati a caldo perché a causa della struttura esagonale compatta, il magnesio è scarsamente duttile a temperatura ambiente) I principali processi di produzione per getti sono: sand casting; Il processo di formatura in sabbia è economico, ma non si possono realizzare pezzi di complessità e accuratezza dimensionale elevate, inoltre le leghe di magnesio sand casting hanno una tendenza alla contrazione e quindi c è bisogno di diversi alimentatori. I sand cast producibili hanno un peso che va da poche centinaia di grammi a più di 1400 kg. 46

47 Magnesio e le leghe di Magnesio permanent-mold casting: E un processo che prevede la presenza di uno stampo permanente, quindi adatto a produrre un numero di pezzi elevato e tale da ammortizzare il costo elevato dello stampo. Le finiture superficiali e le tolleranze dimensionali ottenibili sono superiori a quelle realizzabili con il sand casting. A causa di una solidificazione più rapida le proprietà meccaniche del prodotto finito sono superiori a quelle del prodotto in sabbia [2,8,10]. low pressure die casting; Anche questo processo prevede uno stampo permanente, l iniezione del metallo fuso non avviene per gravità ma è indotta da una pressione modesta, ottenuta tramite un pistone. Inoltre l iniezione in genere avviene dalla parte inferiore dello stampo e quindi a sfavore di gravità, la turbolenza è minimizzata ed il riempimento dello stampo è unidirezionale. high pressure die casting (HPDC); Lo stampo, chiuso da una morsa idraulica, è riempito rapidamente (in ms) inducendo tramite un pistone, il metallo fuso, da una canale di alimentazione detto sleeve, attraverso un accurato sistema di distribuzione (runners e gates) allo stampo. Il metallo solidifica con elevata rapidità (da 100 a 1000 C/s), e ciò determina una granulometria molto fine e buone proprietà meccaniche del pezzo prodotto [2,8,10]. Tipici vantaggi di questo processo applicato alle leghe di magnesio sono: possibilità di produrre pezzi a spessore sottile e di forme articolate, di buona finitura superficiale, alte velocità di produzione e lunga durata degli stampi. L HPDC è utilizzabile per la produzione in grossi volumi al fine di ammortizzare gli alti costi degli stampi. Le caratteristiche positive di processo e di prodotto rendono l HPDC, ovvero la pressocolata, il 47

48 Magnesio e le leghe di Magnesio processo maggiormente utilizzato nel settore automobilistico ed aeronautico. squeeze casting: Noto anche come liquid metal forming è un processo in cui il metallo fuso solidifica sotto pressione dentro stampi chiusi posizionati tra le piastre di una pressa idraulica. La pressione applicata e l istantaneo contatto del metallo fuso con la superficie dello stampo determinano un rapido trasferimento di calore fornendo dei pezzi a grana fine e privi di porosità con proprietà meccaniche vicine a quelle delle leghe per deformazione plastica. Il processo è facilmente automatizzabile e capace di produrre pezzi di forma quasi finita di alta qualità. È un processo semplice ed economico e genera le più alte proprietà meccaniche ottenibili con i metodi di produzione per colata [2,10]. Durante l operazione di formatura, il carico è applicato appena il metallo inizia a solidificare a contatto con lo stampo (lubrificato e preriscaldato), e viene mantenuto finché l intero pezzo non è solidificato. L alta pressione applicata (tipicamente MPa) è sufficiente a sopprimere la porosità da gas. La porosità da ritiro è pure ridotta utilizzando un minimo surriscaldamento del metallo fuso durante la colata. Infatti in tale processo non è richiesta elevata fluidità del fuso (che si ottiene con alte temperature di colata) per riempire lo stampo, poiché ciò si ottiene con l alta pressione applicata [2,8,10]. semisolid casting: In questo processo e nelle sue varianti, rheocasting e thixocasting (in funzione dalla frazione di solido presente all inizio del processo) il processo di formatura avviene ad una temperatura compresa tra la linea di liquidus e la linea di solidus, con la lega cioè allo stato semisolido [2,8,10]. A causa della bassa viscosità della massa semisolida, il processo di 48

49 Magnesio e le leghe di Magnesio iniezione nello stampo avviene agevolmente e con bassa turbolenza. La conseguente microstruttura consta di grani tondeggianti (globuli) formatisi dal mescolamento del fuso prima della solidificazione. Quando si è ottenuta la frazione solida desiderata, il fuso è fatto rapidamente solidificare per formare le billette, che possono essere formate successivamente (forging), oppure la massa semisolida è iniettata direttamente nello stampo per dar vita al prodotto finito. Poiché la lega che inizia la solidificazione nello stampo è già parzialmente solida, il ritiro è ridotto, quindi anche la porosità ad esso relativa. Nella figura 23 è riportata una sintesi grafica della suddivisione dei processi di die casting. COLATA IN FORMA PERMANENTE (DIE CASTING) HIGH PRESSURE DIE CASTING LOW PRESSURE DIE CASTING GRAVITY CASTING VACUUM DIE CASTING SQUEEZE CASTING TILT CASTING 49

50 Magnesio e le leghe di Magnesio 2.7 Leghe da deformazione plastica Indicano tutti quei processi con cui si ottengono leghe generalmente a basso tenore di alluminio che vengono utilizzate, in forma di laminati ed estrusi, in vari campi della tecnologia in quanto offrono al progettista e al produttore innumerevoli possibilità per soddisfare la contemporanea richiesta di leggerezza e resistenza. forgiatura (forging): La forgiatura viene effettuata su billette o lingotti. I lingotti vengono realizzati in stampi permanenti di acciaio mentre le billette per mezzo di pre-estrusione di lingotti, attraverso cui si passa da una struttura as cast ad una struttura lavorata. Le billette e lingotti vengono preriscaldati prima di subire il forging. Le leghe che si usano per il forging sono principalmente queste: AZ31A, AZ61A, AZ80A, QE22A, ZK21A e ZK60A. Per questo processo si usano presse idrauliche o meccaniche con stampi aperti o chiusi. Le leghe, generalmente fluiscono lateralmente nello stampo piuttosto che longitudinalmente e possono essere forgiate con piccoli angoli e spessori sottili. Le proprietà meccaniche dei pezzi forgiati dipendono molto dall incrudimento subito (rafforzamento da deformazione) e questo è inversamente proporzionale alla temperatura di forgiatura, tuttavia se quest ultima è troppo bassa si va incontro alla rottura del pezzo. Le pressioni di forgiatura dipendono dalla temperatura e sono comprese tra i 100 e i 200 MPa. Le leghe di magnesio richiedono pressioni di forgiatura maggiori rispetto a quelle richieste per l acciaio al carbonio, acciaio legato e alluminio e minori rispetto a quelle per l acciaio inossidabile 50

51 Magnesio e le leghe di Magnesio Estrusione: L estrusione a caldo in presse idrauliche ha lo scopo di formare barre ed un ampia varietà di profilati. Esistono due metodi di formatura: il metodo diretto e il metodo indiretto. Nel metodo diretto (che è il più usato) un pistone spinge il lingotto o la billetta contro la cavità dello stampo fisso. Nel metodo indiretto, invece, lo stampo e il controstampo sono spinti contro il materiale da estrudere che è tenuto fermo. Gli stampi sono realizzati in acciaio legato e devono essere tenuti sempre puliti. Le temperature di estrusione vanno da 300 a 450 C. I rapporti di riduzioni di sezione vanno da 10 a 1 a 100 a 1. I prodotti ottenuti sono raffreddati con aria forzata o con acqua per mantenere una microstruttura fine e una omogeneità del metallo. Laminazione: Lingotti di forma piatta con lati arrotondati costituiscono il materiale di partenza per la realizzazione di lastre e piatti attraverso la laminazione (rolling). Ciascun lingotto è prima preriscaldato per diverse ore quindi viene laminato attraverso rulli successivi che ne riducono lo spessore. La lastra è riscaldata nuovamente ad una temperatura di C e laminata nella dimensione definitiva, infine è raffreddata. La quantità di indurimento da deformazione plastica residua e il grado di ricottura subito, determinano le proprietà del prodotto ottenuto. In conclusione, la scelta del metodo da utilizzare dipende da fattori come la colabilità della lega, la geometria del componente da realizzare, l applicazione, le proprietà richieste in fase di esercizio, il numero totale di pezzi richiesti nonché il costo dello stesso. 51

52 Magnesio e le leghe di Magnesio 2.8 Saldatura Il principale sistema di giunzione del magnesio e delle sue leghe è la saldatura che viene effettuata principalmente con il metodo MIG-MAG (metal inert gas welding) al fine di proteggere il metallo dall ossidazione, ricordando infatti che tale processo di saldatura, detta a filo continuo, viene ampiamente utilizzato per l'elevata produttività e per la sua applicabilità ai sistemi di automazione. E' un processo di saldatura autogena in cui l'arco scocca tra il pezzo ed il filo fusibile. Il dispositivo di avanzamento del filo provvede ad alimentare il bagno con continuità (al contrario della bacchetta ad elettrodo che, una volta terminata, deve essere rimpiazzata con una nuova bacchetta). La protezione gassosa viene fornita, direttamente sul bagno fuso, da un gas di supporto. Figura 6 : saldatura MIG Altri metodi utilizzati sono la chiodatura, rapida ed economica, e il fissaggio mediante adesivi sintetici, che offre una maggiore resistenza alla fatica e permette di unire anche materiali diversi e non saldabili in presenza di distorsioni dovute agli effetti termici della saldatura e della brasasatura. 52

53 Nichel e le leghe di Nichel 3.1 Nichel e le leghe di Nichel Il nichel è l elemento chimico facente parte dei metalli di transizione del blocco d e le cui proprietà generali sono le seguenti: Elemento di numero atomico 28 con struttura reticolare a temperatura ambiente di tipo c.f.c. ovvero cubico a facce centrate; Configurazione elettronica Ar3d 8 4s 2 Densità 8,90 g/cm^3; Durezza Brinnell (HB) 4,0; Punto di fusione 1453 C; Carico di rottura MPa; Modulo di elasticità 210 GPa; Allungamento a rottura 40 %; Aspetto metallo lucido; Eccellente lavorabilità meccanica; Buone caratteristiche di resistenza alla corrosione; Buone caratteristiche di resistenza all ossidazione; Ottima saldabilità; Buona resistenza all usura; Buon conduttore di calore ed elettricità; Alta resistenza al calore; Duttile e tenace; Magnetico. 3.2 Estrazione del Nichel L estrazione per via ignea del nichel dai suoi minerali è generalmente effettuata attraverso l ottenimento preliminare di metalline; queste metalline sono ottenute per trattamento (arrostimento, fusione, ecc.) dei minerali di nichel e sono costituite, secondo i minerali e i procedimenti 53

54 Nichel e le leghe di Nichel impiegati, da solfuri di nichel e di ferro, da solfuri di nichel, di ferro e di rame, da solfuri di nichel o da solfuri di nichel e di rame. Le metalline si presentano generalmente in forma di piastre o di blocchi colati (spesso frantumati per facilitarne l'imballaggio e il trasporto), di granuli o di polveri (specialmente nel caso di certe metalline di solfuro di nichel). Queste metalline sono impiegate per la produzione del nichel greggio (miscele di solfuri di due o più metalli, uno dei quali, è in questo caso, il nichel) al fine di concentrare per fusioni successive il nichel assieme al ferro allo stato di solfuri. L operazione è compiuta in forni a combustione o, più modernamente, in forni elettrici. La metallina concentrata viene trattata in piccoli convertitori tipo BESSEMER, in cui però la corrente d aria non viene fatta attraversare tutta la massa metallica, ma soltanto fatta gorgogliare nella zona superficiale in modo da ossidare il solfuro di ferro. Con l aria si invia pure della sabbia silicea finissima che scorifica l ossido di ferro. La metallina priva di ferro viene arrostita, per cui il solfuro di nichel è trasformato in ossido, che poi è ridotto con carbone al rosso vivo in crogiuolo. Il metallo così ottenuto contiene però sempre 1-1,5% di cobalto e di ferro. Recentemente si è cominciato ad effettuare il trattamento del minerale (specialmente garnierite) al forno elettrico. Si ottiene direttamente una lega ferro-nichel, che può arrivare al 45-50% di Ni, la quale dopo semplice raffinazione può essere impiegata Trattamenti Termici I trattamenti termici che si eseguono sulle leghe e superleghe di nichel possono essere suddivise in tre gruppi: 1. Annealing (ricottura); 54

55 Nichel e le leghe di Nichel 2. Softening (rammollimento); 3. Ageing (invecchiamento) Annealing-softening I primi due tipi di trattamento termico sono richiesti normalmente solo per materiali che saranno soggetti a lavorazioni che causano incrudimento come la lavorazione a freddo e la forgiatura. Lo scopo è quello di ottenere un prodotto più duttile; il softening è solitamente accompagnato da ricristallizzazione, può essere accompagnato da soluzione carburi di cromo e viene eseguito durante la fabbricazione di leghe induribili per precipitazione. L annealing, invece è richiesto per leghe indurite per soluzione Trattamenti di soluzione L obiettivo principale di questa classe di trattamenti è quello di solubilizzare le fasi precipitabili prima di procedere alla loro precipitazione controllata. La scelta di una particolare temperatura di trattamento è dipendente dalla temperatura di solvus delle varie fasi presenti, dalla temperatura di crescita del grano, che è funzione anche dei carburi presenti a bordograno, e dalle proprietà finali richieste alla lega; infatti con grana fine e temperatura di trattamento basse si ottengono le migliori proprietà a fatica, a snervamento, mentre proprietà ad alte temperature e resistenza a creep si ottengono ingrossando la grana cristallina scegliendo una temperatura di trattamento alta Ageing L obiettivo di questo processo è la precipitazione di fase indurente in una forma tale da massimizzare le proprietà meccaniche. 55

56 Nichel e le leghe di Nichel In figura è mostrato l andamento tipico delle curve di ageing che mettono in relazione durezza, tempo e temperatura. Il migliore effetto si ottiene come si può vedere dopo 128 ore a 700 C o dopo 500 ore a 650 C; purtroppo questi tempi non sono accettabili se inseriti in un contesto commerciale e il trattamento che si adotta in generale è un compromesso tra ottenere una durezza ed un trattamento economicamente accettabile. Nel caso di figura 10 che si riferisce alla lega nimonic 80 l invecchiamento viene eseguito a 700 C per una durata pari a 16 ore. 3.4 Classificazione del Nichel e delle leghe di Nichel. Le leghe speciali in Nickel sono fusioni, barrette, fili, elettrodi, barre, forgiati e tutto quanto ruota attorno alla saldatura. In particolare, fra superleghe e metalli speciali per riporto duro, le superleghe a base di Nickel sono usate per la realizzazione di parti di turbine a gas ed a vapore come palette, dischi, alberi, involucri protettivi, ed in alcuni motori automobilistici come valvole. Un gran numero di elementi vengono aggiunti per migliorare le prestazioni meccaniche delle superleghe a base di Nickel: il miglior rinforzo per queste leghe è dato da elementi come il titanio, l alluminio, il colombio, che danno origine a fasi intermetalliche per mezzo di un opportuno trattamento termico. Elementi come il cromo ed il ferro possono indurire tali leghe con l aggiunta di carbonio per formare carburi, azoto e fosforo. Il carbonio stesso può poi promuovere la formazione di carburi a bordo grano. Le leghe di Nickel, sono leghe speciali che offrono particolare resistenza alla corrosione, all ossidazione e all usura alle alte temperature. Sono usati principalmente per componenti di fornaci, fusioni nell industria alimentare, nell ingegneria nucleare, per elettrodi d accensione. Elenchiamo di seguito la composizione chimica nominale del nichel commercialmente puro o basso legato: 56

57 Nichel e le leghe di Nichel Sigla Elementi in lega (%) [valori tipici] Ni C Mn Fe Si Cu S Ti Altri Nichel A resto 0,10 0,20 0,15 0,05 0,15 0,005 Nichel D resto 0,10 4,50 0,15 0,05 0,02 0,005 Nichel E resto 0,10 2,0 0,10 0,05 0,10 0,005 Nichel L resto 0,02 0,20 0,15 0,05 0,10 0,005 Nichel Z resto 0,15 0,25 0,15 0,05 0,05 0,005 0,45 Al 4,5 Permanichel resto 0,25 0,10 0,10 0,06 0,02 0,005 0,04 Mg0, Principali leghe di Nichel Il nichel come elemento di lega aggiunto è presente in moltissimi acciai, infatti le sue principali proprietà sono quelle di rendere tenaci gli acciai da costruzione e di austenizzare le leghe di Fe-Cr ad alto tenore di cromo. Volendo citare le più importanti leghe di nichel, che vengono utilizzate nell industria chimica, possiamo elencare le leghe nichelrame, nichel-molibdeno, nichel-silicio, nichel-cromo, nichel-cromomolibdeno, nichel-cromo-ferro, e el superleghe di nichel Leghe di nichel-rame : le più importanti leghe di nichel-rame hanno una composizione base di circa due terzi in nichel ed un terzo in rame e sono denominate Monel. Tale tipologia di leghe vengono impiegate in ambienti fortemente corrosivi per lo loro elevata resistenza alla corrosione da acidi e cloruri. Sigla Elementi in lega (%) [valori tipici] Ni Cu C Mn Fe S Si Al Ti Monel ,5 31,5 0,15 1,0 1,25 0,12 0,25 Monel ,5 44,0 0,08 0,05 0,025 0,12 0,05 0,03 _ 57

58 Nichel e le leghe di Nichel Monel R405 66,5 31,5 0,15 1,0 1,25 0,43 0,25 Monel K500 66,5 29,5 0,13 0,75 1,00 0,005 0,50 3,0 0,63 Le migliori proprietà meccaniche si raggiungono nella lega Monel K che risulta induribile per precipitazione, grazie alla presenza di alluminio e titanio; mentre la lega Monel R presenta una lavorabilità molto elevata grazie all aggiunta di una piccola percentuale di zolfo Leghe di nichel-molibdeno : questa classe di leghe fu sviluppata inizialmente come materiali resistente alla corrosione ed in seguito come materiale resistente ad alte temperature. Le più importanti leghe, facente parte di questa classe, sono denominate Hastelloy le cui composizioni chimiche e fisiche sono riportate di seguito: Sigla Elementi in lega (%) [valori tipici] Mo Co Ni Cu C Mn Fe Cr Si Al Ti Hastelloy B 28 <2,5 resto 31,5 <0,05 <1,0 5,0 <1,0 <1,0 Hastelloy C 16 <2,5 resto 44,0 <0,08 <1,0 5,5 15,5 <1,0 Hastelloy D _ <1,5 resto 31,5 <0,12 1,0 <2,0 1,0 9,0 Hastelloy X 9 1,5 resto 29,5 0,10 1,0 8,5 22 1, Leghe di nichel-silicio L unica commercialmente rappresentativa di questo gruppo è la lega Hastelloy D che è utilizzata per componenti reattoristici e tubazioni dell industria chimica; infatti la sua notorietà consiste nella resistenza 58

59 Nichel e le leghe di Nichel all acido solforico a tutte le concentrazioni e a temperature fino al punto di ebollizione Leghe di nichel-cromo : Le leghe di nichel-cromo, in genere sono indicate con il nome Inconel, sono state impiegate inizialmente come resistenze elettriche di elettrodomestici e successivamente per le caratteristiche di resistenza allo scorrimento viscoso, all ossidazione a caldo e alla corrosione all umido, inoltre il loro utilizzo si è esteso ad impieghi che oscillano tra temperature criogeniche e temperature di 1100 C. La seguente tabella riporta la composizione chimica nominale: Sigla Elementi in lega (%) [valori tipici] Mo Co Ni Fe C Mn Ti Cr Si Al Altro Inconel 600 resto 7,0 0,04 0,30 _ 15 0,20 Inconel _ resto 3,0 0,05 0,15 0, ,30 0,20 Nb=4,0 Inconel 700 3,7 28,5 resto 0,7 0,12 0,10 2, ,30 3,00 Inconel 702 resto 0,35 0,04 0,05 0, ,20 3,40 Inconel 722 resto 6,50 0,04 0,55 2, ,20 0,60 Inconel X-750 resto 6,75 0,04 0,70 2, ,30 0,80 Nb+Ta=0,9 Inconel 751 resto 6,75 0,04 0,70 2, ,30 1,20 Nb+Ta=1,0 Inconel 600 : rappresenta la lega base di questa classe; questa lega, sviluppata per impieghi in ambienti fortemente corrosivi ad elevate temperature, è resistente all ossidazione fini a temperature di 1150 C ed ha ottime proprietà a temperature criogeniche; inoltre viene impiegata nell industria aeronautica per riscaldatori di motore e per tubi di scappamento grazie alla buona resistenza al ciclaggio termico. 59

60 Nichel e le leghe di Nichel Inconel 625 : tale lega è ottenuta con aggiunte di molibdeno e vanadio alla Inconel 600, manifestando eccellente proprietà di resistenza e tenacità dalle temperature criogeniche fino a temperature di 1100 C. Inconel X-750 : tale lega è stata ottenuta addizionando alla composizione piccole quantità di alluminio e titanio al fine di formare i composti intermetallici Ni3(Al,Ti), coerenti e semicoerenticon la matrice solida, e rendendo così la lega induribile per invecchiamento. Presenta un eccellente resistenza allo slittamento viscoso e alla corrosione fino a 800 C. tipiche applicazioni di questa lega riguardano, infatti, turbocompressori di turbine a gas e parti di propulsori a razzo Leghe di nichel-cromo-molibdeno : rappresentano un altro gruppo di leghe resistenti alla corrosione, denominato Illium le cui composizioni chimiche sono riportate nella seguente tabella: Sigla Elementi in lega (%) [valori tipici] Ni Cu Mo Cr Fe Stato metallurgico Illium B 52 5,5 8,5 28 1,15 getto Illium ,5 8,5 28 1,0 Getto Illium G 56 6,5 6,4 22,5 6,5 getto Queste leghe, che sono state sviluppate per dispositivi metallici particolarmente resistenti agli acidi solforico e nitrico, trovano applicazione nella costruzione di pompe e parti operanti in ambiente aggressivo. 60

61 Nichel e le leghe di Nichel Illium B : è una lega resistente alla corrosione e contemporaneamente resistente all erosione e all usura Illium 98 : tale lega viene impiegata per resistere all attacco aggressivo dell acido solforico al 98% di concentrazione a temperature elevate Illium G : risulta resistente all attacco di acidi e alcali o di composti solforati, in condizioni ossidanti e riducenti a temperature moderatamente elevate Leghe di nichel-cromo-ferro: Le più note leghe nichel-cromo-ferro sono le leghe Incoloy che differiscono dalle leghe Inconel per un più basso tenore di nichel e un più alto tenore di cromo. La composizione chimica è riportata nella seguente tabella: Sigla Elementi in lega (%) [valori tipici] Ni Cr C Mn Si Mo Al Fe Ti Incoloy ,1 <1,5 1,0 resto _ Incoloy ,5 0,05 <1,0 <0,5 3,0 <0,20 resto 0,90 Incoloy T ,10 1,0 0,8 resto 1,0 Incoloy ,05 0,50 0,35 6,0 0,20 resto 2,5 Incoloy 800 : tale lega presenta una struttura austenitica stabile; è caratterizzata da una buona resistenza alla corrosione sia in atmosfere ossidanti che carburanti e offre buone proprietà meccaniche. Incoloy 825 : trova prevalentemente applicazione in ambienti corrosivi, quali acqua di mare, acidi solforico e fosforico e soluzioni riducenti. Queste leghe sono particolarmente impiegate nella realizzazione di parti 61

62 Nichel e le leghe di Nichel di forni per trattamenti termici e impianti chimici operanti in atmosfere aggressive fino a temperature di 1000 C Superleghe di nichel Le superleghe base di nichel sono le più complesse, le più largamente utilizzate nelle parti più calde dei motori: il loro utilizzo permette, infatti, di arrivare alle temperature omologhe più alte di qualsiasi altra lega e attualmente costituiscono il 50% del peso dei motori aeronautici. Il nichel è l elemento che costituisce la base della matrice sebbene solo il nichel non abbia elevato modulo elastico, fattori necessari per una buona resistenza al creep, esso costituisce la base di leghe che possono essere utilizzate a temperature che sfiorano lo 0,9 T fusione e per tempi che superano le ore. Ciò è possibile in virtù dei seguenti aspetti: La tendenza del nichel a formare leghe senza instabilità di fase; La tendenza a formare con l aggiunta di cromo, leghe che presentano un alta concentrazione superficiale di Cr2O3 che riduce la diffusione di elementi metallici verso l esterno e di elementi aggressivi come ossigeno, zolfo e azoto verso l interno (fenomeni interdiffusivi); La tendenza a formare, ad alte temperature, leghe con alta concentrazione superficiale di Al2O3, un ossido molto protettivo contro l ossidazione. Queste superleghe di nichel, che hanno nella loro composizione chimica piccoli tenori di alluminio e titanio, sono poi indurite mediante trattamento di tempra di soluzione e successivo rinvenimento, che porta alla precipitazione della fase. A temperatura fini a 1000 C il composto intermetallico Ni 3 (Al,Ti) è relativamente stabile e le proprietà 62

63 Nichel e le leghe di Nichel meccaniche sono notevoli; tuttavia a temperature superiori i precipitati cominciano a dissolversi e la resistenza del materiale comincia a diminuire, particolarmente nelle leghe da lavorazione plastica, a differenza delle superleghe allo stato di getto che sono in grado di sopportare temperature di esercizio più elevate. Infatti le loro applicazioni possono riguardare parti critiche di turbine a gas, come palette, tubi di fiamma e post bruciatori. 63

64 Rame e le leghe di rame 4.1 Rame e le leghe di Rame Il rame è l elemento chimico facente parte dei metalli di transizione del blocco d e le cui proprietà generali sono le seguenti: Elemento di numero atomico 29 con struttura reticolare a temperatura ambiente di tipo c.f.c. ovvero cubico a facce centrate; Configurazione elettronica [Ar]3d 10 4s 1 Densità 8,96 g/cm^3; Durezza Brinnell (HB) 3,0; Punto di fusione 1083 C; Carico di rottura 216 MPa; Modulo di elasticità 117 GPa; Allungamento a rottura 48 %; Aspetto metallo rosa; Elevata conduttività termica ed elettrica; Facilità di formatura ed elevata deformabilità sia a caldo che a freddo; Facilità di entrare in lega con vari metalli; Eccellenti caratteristiche meccaniche che vengono conservate fino a bassissime temperature; Buone caratteristiche di resistenza alla corrosione; Ottima saldabilità; Facilità di elettrodeposizione; Disponibilità alle colorazioni decorative. 4.2 Estrazione del rame Possiamo riassumere le fasi dei principali processi con la premessa che considereremo solamente minerali solforati e a basso tenore, in quanto più largamente disponibili: Estrazione: i minerali di rame sono ricavati da miniere sia a cielo aperto sia in galleria ed i metodi utilizzati non si caratterizzano in 64

65 Rame e le leghe di rame modo particolare rispetto a quelli ormai tradizionali anche per altri minerali. Frantumazione e macinazione: il minerale, che contiene una rilevante quantità di inerti (ganga) viene ridotto, per mezzo di potenti mulini, a una polvere di adeguata granulometria al fine di ottimizzare il trattamento successivo. Flottazione : questa operazione consente la separazione delle frazioni contenenti il rame dagli inerti; la polvere, emulsionata con liquidi tensioattivi, viene immessa in grandi vasche da dove si asporta lo strato schiumoso superficiale che contiene le particelle più ricche di rame. Infatti, grazie alla selettiva tensione superficiale, i solfuri si ricoprono di minute bollicine di tensioattivo, che impediscono il contatto con l acqua, e sono trascinati verso l'alto dall'aria che viene fatta gorgogliare nella vasca. La concentrazione di rame ottenibile può variare dal 30 al 50% in funzione del tenore del minerale di partenza. Concentrazione : i fanghi sono essiccati meccanicamente prima dell'immissione nel forno di arrostimento in quanto una elevata quantità d'acqua produrrebbe uno spreco di energia termica per la sua evaporazione; si ottiene così un composto prevalentemente a base di minerali solforati.... Arrostimento: la concentrazione procede poi per via termica; si diminuisce così il tenore dello zolfo presente sfruttando la sua più elevata affinità chimica con l'ossigeno rispetto al rame. Fusione e conversione: nel forno si procede alla fusione del concentrato in ambiente reso ossidante per mezzo di insufflaggio di aria od ossigeno nel bagno ottenendo la formazione di SO2 gassosa, che si separa dal metallo liquido; l'aggiunta di silicio inoltre permette l'eliminazione del ferro presente; esso forma la 65

66 Rame e le leghe di rame scoria, composta prevalentemente da silicati, che galleggia e viene asportata per sfioramento. Raffinazione termica : questo trattamento viene effettuato allo scopo di ridurre ulteriormente la concentrazione di impurezze nel rame e, pur rappresentando praticamente la prosecuzione dell'operazione precedente, può essere effettuato in apparecchiature e tempi differenti. Il metallo fuso viene trattato nuovamente con insufflaggio di aria od ossigeno e successiva scorifica delle impurezze; in questa fase si riossida parzialmente anche il bagno. Successivamente si procede alla riduzione del tenore di ossigeno introducendo nel forno un tronco verde di pino che, bruciando, sprigiona vapore acqueo ed altri gas riducenti. Questa operazione è chiamata "pinaggio". Questo trattamento generalmente permette di ottenere gli anodi che saranno poi sottoposti alla raffinazione elettrolitica; tuttavia, se la raffinazione termica è estremamente accurata, è possibile utilizzare il rame così ottenuto direttamente per la produzione di alcuni semilavorati. Raffinazione elettrolitica: è il processo che permette di ottenere i massimi livelli di purezza del rame. Viene effettuata con il processo ad anodo solubile in vasche contenenti una soluzione di solfato di rame ed in cui gli anodi si al ternano con i catodi. Questi ultimi sono costituiti da lamierini sottili di rame ad elevata purezza di origine elettrolitica. Tra anodi e catodi, immersi nella soluzione conduttrice elettricamente, viene fatta circolare una corrente elettrica che dissolve l'anodo in ioni i quali, migrando attraverso la soluzione, vanno a depositarsi sul catodo. Regolando opportunamente i parametri di differenza di potenziale e di intensità di corrente, il processo permette di ottenere una deposizione selettiva del rame nei confronti degli altri metalli che 66

67 Rame e le leghe di rame costituiscono le impurezze. I metalli meno nobili del rame restano in soluzione, i più nobili precipitano nei fanghi da cui sono periodicamente separati con evidenti vantaggi economici. Il processo si interrompe con l'esaurimento degli anodi, i catodi vengono così estratti ed inviati alle lavorazioni successive o al commercio. Oggi circa il 90% del rame estratto dalle miniere viene raffinato secondo questo procedimento. Rifusione e colata : i catodi non possono essere lavorati per deformazione plastica direttamente; essi sono infatti costituiti da materiale incoerente e devono pertanto subire una rifusione. Questa è un'operazione delicata in quanto una errata conduzione del forno porterebbe a un inquinamento del metallo; al contrario in questa fase è ancora possibile intervenire sul bagno, modificandone la composizione, per ottenere proprietà particolari. Il metallo liquido periodicamente viene estratto dal forno e conservato in apposite siviere o in forni di attesa per le conseguenti operazioni di colata. Quest'ultima avviene oggi prevalentemente con processi di colata continua, per la vergella, e semicontinua per billette e placche. La forma del metallo solido è ottimizzata in funzione del semilavorato da produrre: vergella per ottenere fili, billette per tubi e barre, placche per lamiere e nastri. 4.3 Classificazione del Rame raffinato e basso legato Il rame come le sue leghe è utilizzato sia in getti che in forma di semilavorati. Inoltre in funzione del titolo posseduto possiamo discernere due classi di rame: 1. rame raffinato (rame > 99,99%); 2. rame basso legato (rame > 99%). 67

68 Rame e le leghe di rame A sua volta nella classe del rame raffinato si distinguono tre qualità principali di rame: 1. rame contenente ossigeno; 2. rame disossidato; 3. rame esente da ossigeno Rame contenente ossigeno Il rame contenente ossigeno, contiene ossigeno sotto forma di ossidulo di rame; l ossidulo di rame si forma nel materiale fuso prima della colata a causa di particolari trattamenti a cui viene sottoposto durante la raffinazione il bagno metallico. Durante la solidificazione l ossidulo forma con il rame un eutettico Cu- Cu 2 O che si dispone ai bordi dei grani. La presenza dell ossidulo ha un ruolo molto importante nella lavorabilità a caldo del rame; infatti, alla temperatura di lavorazione plastica a caldo, alcune impurità, come piombo e bismuto, si sciolgono nella matrice solida distruggendola. Poiché l ossigeno, contenuto nel Cu 2 O ha un affinità, per questi due elementi, molto maggiore di quella per il rame, si combina con loro dando vita a degli ossidi insolubili, che non influenzano la plasticità del materiale, anzi la presenza dell ossidulo nel rame facilita la lavorazione a caldo dello stesso. Allo stesso tempo, però bisogna evidenziare, che la presenza dell ossidulo di rame comporta rischi di rottura locali della matrice solida, nel caso in cui il materiale viene portato a temperature superiori di 400 C in presenza di idrogeno, in quanto si genera del vapore acqueo a pressione elevata dovute alla diffusione rapida degli atomi interstiziali di idrogeno, con conseguente formazione di rotture locali nella matrice del metallo. 68

69 Rame e le leghe di rame Il rame contenente ossigeno è disponibile in due qualità principali: 1. rame elettrolitico contenente ossigeno (Cu-ETP); 2. rame contenente ossigeno raffinato a fuoco per applicazioni elettriche (Cu-FRTP). Applicazioni tipiche del rame contenente ossigeno sono nei settori elettrico, chimico, meccanico e civile Rame disossidato Con il termine rame disossidato, si indica il rame ottenuto mediante aggiunta di un agente riducente al metallo liquido dopo la raffinazione e prima della colata, poiché l agente riducente si combina con tutto l ossigeno presente nel bagno. Il rame di tipo disossidato può essere di origine sia termica che elettrolitica. L agente maggiormente impiegato per la disossidazione, è il fosforo aggiunto al metallo liquido sotto forma di lega madre rame-fosforo. I rami disossidati sono disponibili in due qualità principali: 1. rame disossidato a basso tenore residuo di fosforo (Cu-DPL: deoxidized low phosphorus); 2. rame disossidato ad elevato tenore residuo di fosforo (Cu-DHP: deoxidized high phosphorus) Rame esente da ossigeno I catodi, oltre per la produzione di rame elettrolitico contenente ossigeno o disossidato, vengono adoperati per la preparazione del cosiddetto rame esente da ossigeno. Il procedimento consiste nel rifondere i catodi in speciali forni elettrici a induzione nei quali viene creato un vuoto artificiale; il metallo così ottenuto è praticamente privo di ossigeno. Terminata la fusione dei catodi, il metallo viene colato direttamente dal forno in speciali 69

70 Rame e le leghe di rame lingottiere, anch esse mantenute sotto vuoto. Si ottiene così il rame esente da ossigeno, che non contiene né ossidalo di rame, né tracce residue di disossidante che potrebbero pregiudicare le caratteristiche tecnologiche ed elettriche. La sigla dei rami esenti da ossigeno è Cu- OFE (oxygen free electronic) e Cu-OF (oxygen free). 4.4 Trattamenti Termici Metalli induriti per lavorazioni meccaniche (incrudimento) possono essere ammorbiditi attraverso riscaldamento, o ricottura. Durante la ricottura di una lega a fase singola, i cristalli deformati ed sotto sforzo sono trasformati in cristalli privi di tensioni attraverso riassetto, ricristallizzazione e crescita dei grani. Nei metalli più pesantemente deformati, la ricristallizzazione avviene a più basse temperature rispetto a quelli meno deformati. Per cui, i grani risultano più piccoli e più uniformi quando il metallo da ricristallizzare risulta molto deformato. La grandezza del grano, quindi, si controlla attraverso lavorazioni a freddo e ricottura. Una grana fine è favorita da grandi incrudimenti e ricotture veloci e brevi; mentre una grana grossa si ottiene normalmente con modesti incrudimenti e lunghi tempi di ricottura. Commercialmente, le dimensioni dei grani ricotti sono contenuti tra 0,01 e 0,10 mm. Variazioni nella grandezza dei grani producono variazioni di durezza e di altre proprietà meccaniche. Spesso sono richiesti grani fini per incrementare le proprietà meccaniche del prodotto finito, quali: capacità di carico, resistenza a fatica, resistenza a s.c.c., e qualità superficiali (pulitura). I processi di trattamento termico possono essere applicati al rame e alle sue leghe, per ottenere omogeneizzazioni, rilassamento di tensioni residue, solubilizzazioni, indurimenti per precipitazione e tempre. 70

71 Rame e le leghe di rame Per la designazione del rame e delle sue leghe si fa riferimento all Unified Numbering System (UNS), mostrato nelle seguenti tabelle: C10100-C15760 Rame (>99%) C16200-C19600 Leghe ad alto contenuto di rame (>96%) C21000-C28000 Ottoni (Cu-Zn) C31200-C38500 Ottoni di piombo (Cu-Zn-Pb) C40400-C48600 Ottoni di stagno (Cu-Zn-Sn-Pb) C50100-C52400 Bronzi al fosforo (Cu-Sn-P) C53400-C54400 Bronzi al fosforo e piombo (Cu-Sn-Pb-P) C55180-C55284 Rame al fosforo e leghe rame-argento al fosforo (Cu-P-Ag) C60800-C64210 Bronzi di alluminio e bronzi alluminiosilicei (Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn) C64700-C66100 Bronzi di silicio (Cu-Si-Sn) C66400-C69900 Altre leghe di rame e zinco C70100-C72950 Cupro-nickel (Cu-Ni-Fe) C73500-C79800 Alpacche (Cu-Ni-Zn) C80100-C81200 Rame (>99%) C81400-C82800 Leghe ad alto contenuto di rame (>94%) C83300-C84800 Ottoni rossi e rossi al piombo (Cu- Zn-Sn-Pb, 75-89% Cu) C85200-C85800 Ottoni gialli e gialli al piombo (Cu- Zn-Sn-Pb, 57-74% Cu) Bronzi al manganese e bronzi al C86100-C86800 manganese al piombo (Cu-Zn-Mn- Fe-Pb) C87300-C87800 Bronzi ed ottoni al silicio (Cu-Zn- Si) C90200-C94500 Bronzi allo stagno semplici e con piombo (Cu-Sn-Zn-Pb) C94700-C94900 Bronzi al nickel-stagno (Cu-Ni-Sn- Zn-Pb) C95200-C95900 Bronzi di alluminio (Cu-Ni-Fe) C96200-C96800 Cupro-nickel (Cu-Ni-Fe) C97300-C97800 Alpacche (Cu-Ni-Zn-Pb-Sn) C98200-C98800 Rame al piombo (Cu-Pb) C99300-C99750 Miscele di leghe 71

72 Rame e le leghe di rame Il sistema tradizionale di designazione dei trattamenti termici (Tab. 3) assegna un codice alfanumerico ad ogni designazione di tempra: le due cifre xx si riferiscono all ammontare della deformazione a freddo, o si riferiscono ad un prodotto specifico. Hxx deformati a freddo HRxx deformati a freddo con riduzione stress interni Mxx grezzi Oxx OSxx ricotti TBxx solubilizzati TDxx solubilizzati e deformati a freddo TFxx solubilizzati e induriti per precipitazione TMxx induriti per laminazione TQxx induriti per tempra WHxx saldabili Rame all argento Esistono tre qualità di rame all argento: Cu-LSTP: low Silver tough pitch (Ag = 0,02-0,12%). È un rame a basso contenuto di argento e contenente ossidulo; Cu-HSTP: high Silver tough pitch (Ag = 0,012-0,25%). È un rame ad alto contenuto di argento e contenente ossidulo; Cu-OFS: oxygen free Silver (Ag = 0,027-0,12%). È un rame a basso contenuto di argento ed esente di ossidulo. Le tre qualità di rame all argento hanno proprietà elettriche e termiche molto prossime a quelle del rame a conducibilità elettrica elevata;infatti l argento, assieme al cadmio, è tra gli elementi meno nocivi alla conducibilità elettrica. La caratteristica principale del rame all argento è il notevole innalzamento della temperatura di ricristallizzazione, incrementata di circa 150 C per un aggiunta dello 0,08% di argento. In 72

73 Rame e le leghe di rame tal modo, il rame all argento, quando è incrudito, conserva le elevate caratteristiche di resistenza meccanica fino a temperature di gran lunga superiori a quelle alle quali il rame solitamente addolcisce. In pratica, mentre per esempio il rame elettrolitico incrudito ritorna nello stato ricotto dopo una permanenza di un ora a 175 C, per ottenere lo stesso effetto nel rame all argento è necessaria, a parità di tempo una temperatura superiore a 300 C. La presenza di argento inoltre aumenta la resistenza del materiale allo scorrimento viscoso a caldo; si è dimostrato che un rame contenente lo 0,01% di argento,dopo essere stato incrudito del 10%,si presenta a 225 C la stessa resistenza allo scorrimento plastico di un rame elettrolitico sollecitato a 130 C. pertanto il rame all argento viene largamente adoperato per la produzione di lamelle di collettori o comunque componenti che richiedano le proprietà citate Rame al Tellurio e allo Zolfo Le composizioni chimiche di questi due tipi di rame basso legato sono: Rame al tellurio (sigla CuTe):con tellurio allo 0,4-0,6%; Rame allo zolfo (sigla CuS): con zolfo allo 0,2-0,5%. Questi due tipi di rame basso legato sono materiali in cui l elemento di lega, disperso nella matrice sotto forma di inclusioni microscopiche, favorisce la produzione di trucioli durante la lavorazione meccanica all utensile. Pertanto, queste due leghe vengono impiegate nella fabbricazione di prodotti finiti che necessitano contemporaneamente di un gran numero di lavorazioni all utensile, specie su macchine automatiche e di un elevata conducibilità elettrica. I due rami basso legati vengono adoperati per la produzione di bulloneria, di morsetti e di piccoli componenti. 73

74 Rame e le leghe di rame Rame all arsenico Il rame all arsenico (sigla Cu-DPA: deoxidized phosphorus arsenical )è caratterizzato da una resistenza all ossidazione a caldo sensibilmente superiore a quella presentata dalle altre qualità di rame basso legato; inoltre la presenza di arsenico innalza la temperatura di ricristalizzazione e aumenta la resistenza allo scorrimento viscoso. Pertanto il rame all arsenico viene impiegato nella costruzione di preriscaldatori, di piastre di focolari, di bruciatori e simili. Esso è disossidato e può quindi essere brasato e saldato senza inconvenienti; tuttavia, la contemporanea presenza di fosforo è arsenico ne abbassa notevolmente la conducibilità elettrica tanto che non trova applicazione alcuna nel settore elettrico. 4.5 Proprietà delle leghe di Rame Il rame è un metallo nobile, ma a differenza dell oro e degli altri metalli preziosi, può essere attaccato da reagenti comuni e dall ambiente. Il rame puro resiste agli attacchi sotto molte condizioni di corrosione, mentre alcune sue leghe hanno un utilizzo limitato in certe condizioni ambientali, a causa dell infragilimento da idrogeno o da stress-corrosion cracking. L infragilimento da idrogeno si osserva quando leghe di rame contenenti ossidi di rame sono esposte ad atmosfera riducente. Molte leghe di rame sono disossidate e quindi non soggette ad infragilimento da idrogeno. Lo stress-corrosion cracking avviene molto frequentemente in ottoni esposti ad ammoniaca, ammine, composti di mercurio o cianuri. Invecchiamento e rilassamento delle tensioni residue, introdotte con il raffreddamento ed eventuali lavorazioni successive, alleviano lo stress- 74

75 Rame e le leghe di rame corrosion cracking: a patto che, in servizio, non subentrino sforzi che risensibilizzano il manufatto allo s.c.c.. Ottoni contenenti più del 15% di zinco sono molto suscettibili alla dezincificazione, dove lo zinco è selettivamente rimosso per corrosione dalla superficie del materiale, lasciando uno strato poroso di rame e prodotti di corrosione. Questo fenomeno si presenta particolarmente in acque che contengono molto ossigeno ed anidride carbonica, e se le acque sono calme o poco mosse. La dezincificazione si presenta generalmente uniforme in acque leggermente acide, a bassa conducibilità ed a temperatura ambiente; mentre l attacco è spesso locale in acque neutre o debolmente alcaline, saline e calde. Meno suscettibili sono il rame puro e le sue leghe contenenti piccole percentuali di zinco; la presenza di stagno nella lega inibisce la dezincificazione negli ottoni in getti. Quando può avvenire la dezincificazione, possono essere usati ottoni a basso zinco od ottoni inibiti. Il costo è minore nel secondo caso, perché i raccordi si possono fare più semplicemente se l ottone è ad alto zinco. CONDUCIBILITA ELETTRICA E TERMICA L alligazione del rame diminuisce la conducibilità elettrica e termica (quest ultima in minor quantità). L ammontare della riduzione dovuta all alligazione non dipende dalle proprietà di bulk degli elementi alleganti, ma solo dagli effetti che particolari atomi di soluto hanno sul reticolo del rame. COLORE Il rame e certe sue leghe sono usate per impieghi decorativi, con colorazioni: marrone-rosso, oro e argento. Il colore finale dipende dalla 75

76 Rame e le leghe di rame composizione del metallo base, dalla composizione della soluzione, dal tempo di immersione e dall abilità dell operatore. La colorazione è innanzitutto un arte e l esperienza pratica è indispensabile per sviluppare le attitudini richieste per produrre finiture uniformi desiderate. Le leghe di rame sono colorate chimicamente per migliorare l aspetto di un prodotto, per procurare un supporto per successivi rivestimenti organici, come per gli ottoni, e per ridurre la riflessione della luce nei sistemi ottici. La colorazione chimica produce un sottile strato di un composto sulla superficie del metallo base. Questo strato mantiene alcune delle caratteristiche della superficie metallica prima della colorazione, quali la levigatezza e la lucidità o l opacità. I procedimenti per la colorazione artificiale dei metalli utilizzano molte delle reazioni che avvengono più lentamente nelle condizioni naturali. Alcune pellicole colorate che non si trovano in natura possono essere riprodotte artificialmente. La colorazione delle leghe di rame è essenzialmente un processo di colorazione del rame, poiché i composti di zinco e stagno sono incolori. Questi componenti e la loro concentrazione influenzano fortemente la maggior parte delle reazioni chimiche ed i toni dei colori del rivestimento che si forma. Per ottenere una colorazione uniforme, è importante che la superficie sia preventivamente pulita e disossidata. FACILITA DI LAVORAZIONE Il rame e le sue leghe possono essere facilmente lavorate nelle forme e dimensioni desiderate, utilizzando qualsiasi normale processo di lavorazione (stampaggio, estrusione, forgiatura, laminazione, formatura ad elevate temperature¼ ). 76

77 Rame e le leghe di rame I manufatti di rame possono subire processi di pulitura, placcatura, per ottenere una gran varietà di superfici funzionali o decorative. SALDABILITA Il rame e le sue leghe possono essere facilmente assemblate attraverso uno dei vari processi meccanici (aggraffatura, rivettaggio, bullonature), o di saldatura (saldatura a stagno, brasatura, saldatura ad arco), comunemente usati per unire componenti metallici. La saldabilità varia tra le varie leghe per molte ragioni, incluse la formazione di cricche a caldo nelle leghe al piombo e le saldature instabili nelle leghe contenenti ossido di rame. Stagno e zinco riducono la saldabilità delle leghe di rame; mentre la presenza di residui fosforosi aumenta la saldabilità, in quanto il fosforo si combina con l ossigeno adsorbito, prevenendo la formazione di ossidi di rame nel cordone di saldatura. La scelta del miglior metodo di giunzione è fatta in base a: requisiti di impiego, configurazione della giunzione, spessore dei componenti e composizione delle leghe. RICICLABILITA Il rame è perfettamente reciclabile e riciclato pressoché al 100% in tutti i Paesi del mondo. Il 40% dei semilavorati di rame e leghe di rame prodotti in Italia e' ottenuto riciclando rottami. Tale valore corrisponde al 100% dei semilavorati prodotti 30 anni fa (vita media utile dei prodotti di rame e leghe di rame); per questo è possibile affermare che il rame è la materia prima per la quale disponiamo di maggiori riserve, anche se non esistono in Italia miniere da cui estrarlo. 77

78 Rame e le leghe di rame A differenza di altri, il rame riciclato ha le stesse caratteristiche chimico-fisiche e tecnologiche del rame primario e quindi non subisce limitazioni di utilizzo o diminuzione di valore. LAVORAZIONI MECCANICHE Il rame ad elevata purezza è un metallo molto morbido: viene richiesto uno sforzo di taglio di soli 3,9 MPa lungo i piani di scorrimento {111}. Il rame è facilmente deformabile a freddo. Una volta che il moto fluido è iniziato ci vuole una piccola energia per farlo continuare, cosicché grandi cambiamenti di forma o riduzioni di spessore sono possibili in un singolo passaggio, specialmente con flusso continuo. Il rame e molte delle sue leghe rispondono molto bene a deformazioni a freddo sequenziali. Alcune leghe di rame induriscono per lavorazione abbastanza velocemente: per questo c è un limite nel numero di operazioni che si possono fare prima di dover effettuare un rinvenimento per ammorbidire il metallo. Il rame può subire riduzioni di dimensioni anche senza rinvenimento, ma alte deformazioni (più dell 80 90%) inducono orientazioni cristalline indesiderabili per applicazioni che necessitano di isotropia delle proprietà. 4.6 Classificazione del Rame e delle leghe di Rame Il modo più comune di catalogare il rame e le sue leghe è quello di individuare sei famiglie, come indicato nella seguente tabella: 78

79 Rame e le leghe di rame FAMIGLIA LEGANTE 1 Solubilità (at%) NUMERI UNS Rami vari <8 C10000 Ottoni Zn 37 C20000,C30000,C40000, C66400 C69800 Bronzi fosforosi Sn 9 C50000 Bronzi alluminici Al 19 C60600 C64200 Bronzi siliconici Si 8 C64700 C66100 Cu-Ni, Ni-Ag Ni 100 C Ottoni: leghe di rame e zinco che possono essere suddivise in: 1.1. ottoni α contenenti fino al 36% di zinco, a loro volta suddivisi in: ottoni α-rossi con il 5-20% di zinco; ottoni α-gialli con il 20-36% di zinco; 1.2. ottoni α+β contenenti dal 36 al 45% di zinco. 2. Bronzi: leghe di rame contenenti fino al 12% di un elemento di lega, ovviamente diverso dallo zinco, che possono essere suddivise in: 2.1. bronzi allo stagno; 2.2. bronzi al silicio; 2.3. bronzi all alluminio; 2.4. bronzi al berillio. 3. Cupronichel: leghe di rame e nichel. 4. Metalli bianchi: leghe di rame, nichel, zinco. 79

80 Rame e le leghe di rame 4.7 Ottoni Come detto precedentemente gli ottoni sono leghe di rame e zinco. La solubilità dello zinco nel rame aumenta dal 32,5% a 903 C fino a circa il 39% a 454 C. Poiché il rame è areticolo c.f.c., la soluzione solida limite α è c.f.c.. La fase β è, invece, un composto a reticolo c.c.c. e subisce una trasformazione ordine-disordine tra i 454 e i 468 C. Nel raffreddamento la soluzione solida β disordinata si trasforma nella soluzione ordinata β 1 a reticolo c.c.c., ovvero con gli atomi di rame negli spigoli e quelli di zinco al centro del cubo. Risulta importante dire che la fase α risulta lavorabile sia a caldo che a freddo, mentre la fase β solo a caldo. Gli ottoni commerciali si dividono in 2 classi: Ottoni α: da lavorazione a freddo; Ottoni α+β: da lavorazione a caldo Ottoni α-rossi Gli ottoni α, contenenti fino al 36% di zinco, possiedono una resistenza relativamente buona alla corrosione e una buona lavorabilità a caldo e a freddo. In base al tenore di rame presente, gli ottoni variano il loro colore, e si possono dividere in due classi: rossi e gialli. Gli ottoni α-rossi sono leghe a basso tenore di zinco, circa 5-20%, e risultano essere facilmente lavorabili sia a caldo che a freddo. Inoltre presentano una superiore resistenza alla corrosione rispetto agli ottoni gialli, tanto da poter asserire che risultano immuni alla dezincificazione e al cedimento stagionale, tuttavia presentano un costo relativamente alto a causa dell alto tenore di rame presente. Riportiamo di seguito la 7composizione chimica di alcuni ottoni rossi tra i più comuni: 80

81 Rame e le leghe di rame Sigla Nome Comp R Rs A HR Stato R Rs A HR Stato UNS comm. Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Ottoni α rossi C21000 dorato 95Cu- 5Zn Ric f52 dur C22000 comm. 90Cu- 10Zn Ric f57 dur C23000 rosso 85Cu- 15Zn Ric f63 dur C24000 basso 80Cu- 20Zn Ric f66 dur Le principali applicazioni di questo tipo di ottoni riguardano conduttori elettrici, portalampade, condensatori e scambiatori di calore, nonché per parti ornamentali, tubi flessibili Ottoni α-gialli Fanno parte di questa classe tutti gli ottoni contenenti una percentuale di zinco che va dal 20 al 36%. Sono particolarmente adatti a subire forti deformazioni a freddo per trafilatura, presentano una buona duttilità e una buona resistenza meccanica. Sigla Nome Comp R Rs A HR Stato R Rs A HR Stato UNS comm. Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Ottoni α gialli C21000 C27000 C34000 C44300 cartrige 70Cu- 30Zn 65Cugiallo 35Zn 65Cupiombo 34Zn- 1Pb 71Cuammir 28Znagliato 1Sn Ric f68 dur Ric f68 dur Ric f68 dur Ric f75 dur

82 Rame e le leghe di rame In questo tipo di ottone si è soliti eseguire, dopo severa deformazione plastica a freddo, un trattamento termico di distensione per evitare il dannoso fenomeno della corrosione, denominato cedimento stagionale; termine con il quale si suole indicare una tipica forma di corrosione sotto sforzo dovuta alla presenza di sforzi residui introdotti durante la lavorazione a freddo, sforzi che rendono l ottone nettamente suscettibile alla formazione di cricche, quando nell ambiente è presente un agente specifico come l ammoniaca.tuttavia il problema può essere risolto con la distensione eseguita nell intervallo di recupero o con la sostituzione dell ottone α con una lega meno suscettibile. Gli ottoni α-gialli, a differenza degli α-rossi, sono suscettibili ad un altra forma di corrosione chiamata dezincificazione, termine con cui si indica il contatto dell ottone con acque dolci ad alto tenore di ossigeno e anidride carbonica. Questo processo implica la dissoluzione, anche completa, della lega che porta alla formazione di uno strato poroso di rame non aderente e di scadenti proprietà meccaniche, che se non arrestato in tempo porta alla rottura del manufatto tramite fuoriuscita di fluido attraverso le porosità. Il problema può essere risolto grazie all aggiunta di piccole quantità di stagno e di arsenio Ottoni α+β Appartengono a questa classe tutti gli ottoni contenenti zinco in tenore compreso tra il 35 e il 40% e hanno la caratteristica di presentare a temperatura ambiente due fasi α e β 1. Per la presenza della fase β 1 queste leghe sono più difficili da lavorare degli ottoni precedentemente descritti, infatti a temperatura di circa 460 C la fase β 1 si trasforma nella fase β molto plastica, per cui queste possono essere lavorate a caldo. Riportiamo di seguito la composizione chimica di alcuni, tra i più importanti ottoni α+β: 82

83 Rame e le leghe di rame Sigla Nome Comp R Rs A HR Stato R Rs A HR UNS comm. Nomi Stato MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Ottoni α+β C28000 muntz 60Cu- 40Zn Ric f80 dur ,5C C36000 Freecutting C37700 forgiato C38500 architet tonico C46400 navale u- 35,5Z n-3pb Ric f68 dur Cu- 38Zn- Ric f78 dur Pb 57Cu- 40Zn- 3Pb Ric b65 dur Cu- 39,2 Zn- Ric b56 dur ,8Sn 4.8 Bronzi Con questo termine inizialmente si volevano indicare tutte e sole le leghe di rame-stagno; oggi invece tale termine è attribuito ad ogni lega di rame non contenente zinco e contenente, invece un elemento di legha in tenore maggiore del 12%. I bronzi commerciali costituiscono principalmente leghe di ; Rame-stagno; Rame-alluminio; Rame-silicio; Rame-berillio. 83

84 Rame e le leghe di rame Bronzi allo stagno I bronzi allo stagno sono generalmente chiamati bronzi fosforosi, poiché il fosforo viene aggiunto come disossidante del bagno. La presenza dello stagno comporta un aumento della durezza, della resistenza all usura, e la resistenza alla corrosione all acqua di mare in maniera molto maggiore rispetto allo zinco. I principali bronzi allo stagno sono riportati di seguito: Sigla Comp Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR UNS Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Bronzi allo stagno (fosforosi) C ,7Cu-1,3Sn Ric duro b67 C ,8Cu-5Sn- 0,2P Ric b28 Duro b87 C ,6Cu-4,2Sn- 0,2P Ric f73 Duro b86 C Cu-8Sn Ric f80 duro b93 C Cu-10Sn Ric b55 duro b97 C Cu-aPb- 4Sn-4Zn Ric f73 duro b86 C Cu-7Sn- 15Pb fuso b55 C Cu-5Sn- 25Pb fuso b48 Essi sono caratterizzati dall avere alta resistenza meccanica e alla corrosione, basso coefficiente d attrito. Le leghe fino all 8% di stagno sono facilmente lavorabili a freddo e sono utilizzate per la produzione di fili, lamiere, guarnizioni e molle. Mentre quelle con tenori di stagno compreso tra l 8 e il 12% sono utilizzate per ingranaggi, cuscinetti e raccorderai marina. 84

85 Rame e le leghe di rame Viene aggiunto anche del piombo al fine di migliorare la lavorabilità e la resistenza all usura Bronzi al silicio Sono leghe composte da rame, silicio e in genere un terzo elemento come manganese, ferro in tenori che vanno dallo 0,25 all 1,25%. Il silicio forma con il rame una serie di soluzioni solidi tali da presentare un diagramma di stato notevolmente complesso; infatti lo studio è maggiormente concentrato sulla porzione in cui il silicio è presente in tenore pari al 6%. Aumentandone il tenore vengono migliorate le caratteristiche meccaniche resistenziali e la resistenza alla corrosione, mentre peggiora la lavorabilità sia a caldo sia freddo. Nella seguente tabella sono riportate le composizioni chimiche di alcuni bronzi al silicio: Sigla Comp Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR UNS Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Bronzi al silicio C ,5Cu- 1,5Si ric f55 Duro b80 C Cu- 3Si ric b60 duro b Bronzi all alluminio (Cuproallumini) Si chiama cuproalluminio una lega rame-alluminio con tenore di rame superiore al 50%. Il primo bronzo all alluminio(10% di alluminio)trova la sua originaria applicazione in artiglieria allo stato di getto verso il

86 Rame e le leghe di rame Le proprietà principali sono: ottima resistenza alla corrosione elevate caratteristiche meccaniche resistenza all ossidazione a caldo resistenza all usura antifrizione La scelta di un bronzo all alluminio, in luogo di uno allo stagno, è di norma effettuata, oltre che per la maggior resistenza alla corrosione,per la più elevata resistenza all usura e per la resistenza meccanica a temperatura ambiente e a caldo. Soprattutto la resistenza alla corrosione è particolarmente apprezzata; questa importante proprietà è dovuta alla capacità di questi materiali di ricoprirsi superficialmente di un tenace e stabile ossido protettivo costituito principalmente di allumina. Qualora per abrasione meccanica o per altre cause l ossido superficiale venga asportato, si riforma quasi istantaneamente, garantendo cosi una continuità di protezione delle strutture. I cuproallumini si dividono, come riportato nella seguente tabella in due grandi classi: I. cuproallumini binari: monofasici, bifasici; II. cuprallumini complessi: monofasici, polifasici. Analizzando il diagramma di stato rame-alluminio, vediamo che lo studio è maggiormente concentrato sulla porzione del diagramma che interessa la pratica industriale, ovvero la zona adiacente al rame puro. 86

87 Rame e le leghe di rame Figura 7 : diagramma di stato rame-alluminio Dall esame del diagramma si nota la possibilità di esistenza di tre fasi, la, la β e la γ 2. Nella fase l alluminio forma con il rame una soluzione solida costituzionale c.f.c. la solubilità dell alluminio nel rame presenta a 1035 C un minimo del 7,4%, per poi aumentare fino al 9,4% a 565 C e mantenersi praticamente invariata su questo valore fino a temperatura ambiente. Con velocità di raffreddamento usuale si ottiene, nelle leghe con alluminio fino a circa il 7%,la sola fase,molto plastica a freddo. I semilavorati tradizionali (tubi, fili, barre ecc.)sono pertanto ottenuti con questo unico costituente. La fase β possiede un reticolo c.c.c. la fase è stabile sopra i 565 C e il campo di esistenza si allarga all aumentare della temperatura (alluminio tra il 10 e il 15% in peso sopra i 1000 C). sotto i

88 Rame e le leghe di rame C la fase β subisce una trasformazione eutettoidica dando luogo all eutettoide +γ. La fase β per raffreddamento veloce si può anche stabilizzare a temperatura ambiente in una struttura acculare di tipo martensitico, dura e fragile, che deve essere poi rinvenuta. Nell intervallo di temperatura in cui i cuproallumini sono costituiti solo dalla fase β, essi si presentano eccezionalmente bene alla deformazione plastica; ciò spiega l attitudine di queste leghe allo stampaggio a caldo. Si presentano bene anche alla colata e alla saldatura. La fase γ 2 ha una struttura cubica complessa, molto simile alla fase degli ottoni. Il suo campo di esistenza è compreso tra il 15,6 e il 20% di alluminio. Con la fase forma un eutettoide +γ (in in corrispondenza di un tenore di alluminio dell 11,8%)di tipo lamellare, molto simile alla perlite degli acciai. Nelle leghe industriali la fase γ tende a precipitare ai bordi dei grani,esercitando una nefasta influenza sia sulle caratteristiche meccaniche che sulla resistenza alla corrosione; tale fase γ ha infatti un potenziale elettrochimico meno nobile di quello del rame e della fase e tende pertanto a corrodersi preferenzialmente dando luogo al fenomeno della cosiddetta dealluminazione Bronzi al Berillio Le leghe binarie rame-berillio, pur dotate di caratteristiche che superano quelle dei bronzi allo stagno, non hanno ancora conquistato un grosso mercato a causa soprattutto dell elevato costo e delle difficoltà di approvvigionamento del berillio. 88

89 Rame e le leghe di rame Figura 8 : diagramma di stato rame-berillio Il diagramma di stato rame-berillio mostra la formazione di una soluzione solida (c.f.c.)di berillio nel rame fino a un tenore di 2,7% di berillio a 864 C; inoltre la rapida diminuzione della solubilità lungo la curva di solvus, fino a circa lo 0,3%di berillio nel rame a 300 C, permette di eseguire trattamenti termici di tempra e di invecchiamento sulle leghe rame-berillio scelte con un contenuto di berillio massimo del 2,7%. Una tempra dalle temperature di esistenza della sola soluzione solida stabile fissa questa forma sovrassatura, mentre con un lento raffreddamento la soluzione solida si trasforma prima in +β,con quest ultima che subisce a 575 C la trasformazione eutettoidica +γ. La soluzione solida sovrassatura a temperatura ordinaria rimane tale senza passare con il tempo nello stato di equilibrio +β oppure +γ; in 89

90 Rame e le leghe di rame altri termini, le leghe rame-berillio non invecchiano spontaneamente o come si suole dire naturalmente. La soluzione solida è molto plastica e può essere lavorata senza difficoltà a freddo, ovvero imbutita, stampata, trafilata, laminata ecc.; dopo tali lavorazioni, e quindi dopo incrudimento, può subire un invecchiamento artificiale. In altre parole, riscaldata a temperature relativamente basse ( C) senza comunque superare la linea di solvus, la fase si trasforma nelle fasi che le competono a temperatura ordinaria, ovvero +γ. Questa trasformazione, come in tutti i casi di invecchiamento di una soluzione solida,trasforma la lega rame-berillio da lega plastica e deformabile in lega molto dura, per la presenza di particelle dure e indeformabili disperse in forma coerente nella matrice. Da un punto di vista pratico si può ancora mettere in evidenza che: per leghe povere di berillio(tenori di 1-1,3%) il trattamento di rinvenimento non ha nessuna influenza sull invecchiamento; ciò sta a confermare che in questo campo di composizioni non si ha il fenomeno di indurimento per precipitazione; per leghe contenenti l 1,3-3% di berillio l effetto del rinvenimento è veramente notevole tanto che una lega contenente per esempio il 2,5% di berillio, invecchiata a C per un ora, eleva la durezza e con essa le altre caratteristiche resistenziali, da 110 HB (stato solamente temprato)a 350 HB (stato temprato e invecchiato). Le principali leghe rame-berillio di uso commerciale sono riportate nella seguente tabella: 90

91 Rame e le leghe di rame Sigla Comp Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR UNS Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Bronzi al berillio 98Cu- C ,7Be- ricotto b98 duro c39 0,3Co C ,2Cu- 2Be- 0,5Co- Fuso b81 0,25Si C Cu- 2,4Be- 0,5Co fuso b86 La presenza di cobalto, nichel e ferro nei tenori sopra riportati assolve sostanzialmente la funzione di affinante e di inibitore dell ingrossamento del grano durante i riscaldamenti previsti dal trattamento termico. La lega rame-berillio viene fornita sotto forma di semilavorati e di getti: essa trova applicazioni nel settore elettrotecnico, specie nella produzione di molle e di contatti e per parti sollecitati a fatica. In lega rame-berillio si producono anche bulloneria ad alta resistenza e non soggetta a corrosione e utensili antiscintilla. Solitamente la lega rameberillio è fornita allo stato ricotto e temprato perché, in queste condizioni, il materiale è facile da deformare plasticamente; l invecchiamento, in forni a muffola o in bagni di sali fusi, conclude il ciclo di lavorazione Cupronichel Originariamente il nome di cupronichel fu dato a una lega 80Cu-20Ni. Questa denominazione è stata poi estesa a ogni lega rame-nichel con tenore di nichel inferiore al 50%, escludendo il Monel e anche le leghe complesse,quali quelle rame-nichel-zinco (alpacche) rame-nichel- 91

92 Rame e le leghe di rame argento e rame-nichel-alluminio. Il rame e il nichel sono mutuamente solubili in tutte le proporzioni e danno quindi luogo a una serie continua di soluzioni solide monobasiche. Esiste quindi una sola fase che non può essere suscettibile di trattamento termico; le proprietà delle leghe potranno perciò essere modificate solo con una lavorazione a freddo. I principali cupronichel di interesse commerciale sono riportati di seguito: Sigla Comp Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR UNS Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] Cupronichel C Cu- 10Ni ricotto b27 duro b80 C Cu- 20Ni ricotto b27 duro b80 C Cu- 30Ni ricotto b40 duro Il rame e il nichel sono due metalli di per sé già resistenti alla corrosione in molti mezzi aggressivi; alligandoli si ottiene un materiale le cui caratteristiche di resistenza alla corrosione sono, in un certo qual modo,una combinazione esaltata delle caratteristiche di entrambi. I cupronichel sono stati messi a punto negli anni 40 proprio per superare i problemi di corrosione legati all impiego di acqua di mare come refrigerante per condensatori di turbina e come fluido scambiatore di calore in varie applicazioni. Un altra interessante caratteristica dei cupronichel a tenore elevato in nichel, sfruttata nelle applicazioni navali, è l attività biologica contro gli organismi incrostanti, che vengono distrutti o allontanati dalla presenza di ioni rame in soluzione. 92

93 Rame e le leghe di rame Metalli Bianchi I metalli bianchi appartengono al gruppo delle leghe ternarie ramenichel-zinco chiamate in Italia alpacche e packfong e all estero con diverse denominazioni. L aggiunta del nichel alle leghe binarie ramezinco influisce: sul colore della lega che, per contenuti crescenti fino al 10-20% di nichel, diventa bianca a somiglianza dell argento; sulla resistenza alla corrosione che migliora notevolmente, in particolar modo negli acidi grassi; su tutte le proprietà meccaniche che migliorano considerevolmente rispetto agli ottoni. Le principali leghe appartenenti a questa classe sono riportate nella seguente tabella: Sigla Comp Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR UNS Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b] C Cu- 25Zn- ricotto f78 duro b87 8Ni- C Cu- 25Zn- ricotto b35 duro b89 10Ni C Cu- 23Zn- ricotto b37 duro b89 12Ni C Cu- 20Zn- ricotto f79 duro b87 15Ni C Cu- 17Zn- ricotto b40 duro b87 18Ni C Cu- 27Zn- 18Ni ricotto b55 duro b91 93

94 Rame e le leghe di rame Nelle leghe rame-zinco-nichel commerciali i tre componenti risultano in un largo intervallo completamente solubili anche allo stato solido; quando sono congiuntamente presenti in determinate proporzioni, e particolarmente quando la somma del contenuto rame-nichel supera il 73%, la lega si presenta sotto forma di soluzione solida per la quale non è offerta la possibilità di alcun trattamento termico di solubilizzazione e riprecipitazione. Tali leghe, come soluzioni solide, hanno buone caratteristiche plastiche e favorevole comportamento alla corrosione. Le leghe rame-nichel-zinco più ricche in nichel (18%)sono normalmente denominate alpacche; quelle più povere, e pertanto meno nettamente bianco-argento, sono denominate packfong (65Cu-23Zn-12Ni). Le caratteristiche meccaniche sono assai elevate, potendosi arrivare anche a carichi unitari di rottura di 800 MPa negli stati fortemente incruditi. Le caratteristiche meccaniche, e particolarmente le caratteristiche elastiche, delle leghe rame-nichel-zinco aumentano con il rapporto nichel/rame. Tenendo conto di questo effetto,si possono preparare, per esempio, due leghe di tipo alpacca, contenenti ambedue il 18% di nichel: l una, (64Cu-18Ni-18Zn), è raccomandata per lavori di stampaggio, come vasellame, posateria ecc.; l altra, (55Cu-18Ni-27Zn), è raccomandata per molle. Infine ricordiamo che le leghe di rame-nichel-zinco, oltre come semilavorati, si possono adoperare nella produzione di getti. Le applicazioni riguardano generalmente gli ambienti navali. 94

95 Rame e le leghe di rame Leghe speciali di rame TIPO LEGA PROPRIETA' ED USI HF (CH 25) CuCrZr Alta resistenza, temperato, materiale per saldatura a punti, con ciclo continuo particolarmente alto o saldatura a punti con rulli, idoneo per tutti gli acciai, inclusi quelli inossidabili e legati, anche per lastre zincate. N (CH 23) CuCrZr Materiale temprato adatto per saldatura a punti, a proiezione e di testa idoneo per acciai al carbonio, lastre zincate, ottone, bronzo e nichel. Può in alcuni casi essere ottimamente usato per le leghe di alluminio. N4 (CH 18) CuZr Materiale lavorato a freddo con una più alta temperatura di ammorbidimento e alta conducibilità elettrica idoneo per leghe di alluminio e bronzi. L (CL 04) CuAg 0.1 P Materiale lavorato a freddo con la conducibilità elettrica del rame puro ma una più alta temperatura di ammorbidimento.particolarmente adatto per la saldatura a punti per leghe di alluminio. G (CH 27) CuCrZr Materiale speciale temprato per saldatura continua, estremi carichi di stress e non suscettibile alle crepe. Idoneo per tutti i tipi di acciaio e per le lastre rivestite. B (CH 40) CuCo2Be Alta resistenza, temprato, materiale con la particolare caratteristica di grande durezza accoppiata a una conducibilità elettrica di grado medio; per saldatura a punti, continua a protezione e di testa idoneo per acciai legati, ad alta resistenza e anti corrosione, anche per nichel e leghe di nichel. D (CH 76) CuNi2.5SiCr Alta resistenza, temprato, materiale per saldatura a proiezione e di testa: un'alternativa senza berillio al tipo B. NIB (CH48) CuNi2Be Lega di rame altamente performante. Materiale per elettrodi, saldatura a punti, per grosse frequenze di saldatura o saldatura a rulli continua e con alte frequenze. Indicato per tutti i tipi di acciai e per le lamiere ricoperte e galvanizzate. 95

96 Titanio e le leghe di titanio 5.1 Titanio e le leghe di Titanio Il titanio è l elemento chimico facente parte dei metalli del blocco d e le cui proprietà generali sono le seguenti: Elemento di numero atomico 22 con struttura reticolare a temperatura ambiente di tipo e.c. ovvero esagonale compatto; Configurazione elettronica Ar3d 2 4s 2 Densità 4,51 g/cm^3; Durezza Brinnell (HB) 6,0; Punto di fusione 1667,85 C; Carico di rottura 365 MPa; Modulo di elasticità 105 GPa; Allungamento a rottura 35 %; Aspetto argento metallo; Eccellente lavorabilità meccanica; Eccellenti caratteristiche di resistenza alla corrosione; Ottima saldabilità; Elevato limite di fatica; Duttile e tenace; 5.2 Estrazione del Titanio Il titanio è un elemento metallico che è ben conosciuto per la sua resistenza alla corrosione (quasi quanto il platino) e per il suo alto rapporto resistenza/peso. È leggero, duro, con una bassa densità (il 40% di quella dell'acciaio). Quando allo stato puro è abbastanza duttile, lucido, di colore bianco metallico. Tuttavia le leghe di titanio non sono facilmente lavorabili, e la difficoltà di lavorazione alle macchine utensili è paragonabile a quella dell'acciaio inossidabile, notoriamente il più problematico da plasmare per asportazione di truciolo. Il titanio è saldabile, con adeguate tecniche che non permettano il contatto con 96

97 Titanio e le leghe di titanio l aria, ed ha il vantaggio che la zona fusa, quella termicamente alterata e il materiale base possiedono uguale resistenza alla corrosione; inoltre il punto di fusione relativamente alto di questo elemento lo rende utile come metallo refrattario. Il titanio è resistente come l'acciaio ma il 45% più leggero, pesa il 60% in più dell'alluminio ma con una resistenza doppia. Queste proprietà rendono il titanio molto resistente alle forme usuali di fatica dei metalli. Questo metallo forma una patina di ossido passivo se esposto all'aria, ma quando è in un ambiente libero da ossigeno è molto duttile. Il titanio, che brucia se riscaldato nell'aria, è anche l'unico elemento che brucia in un gas di azoto puro. Il titanio è resistente all'acido solforico diluito e all'acido cloridrico, oltre che ai gas di cloro, alle soluzioni di cloruri e alla maggior parte degli acidi carbossilici. Il titanio (dal latino Titans, Titani, i primi figli di Gaia) fu scoperto in Inghilterra nel 1791 dal reverendo William Gregor, che riconobbe la presenza di un nuovo elemento nell'ilmenite. L'elemento venne riscoperto molti anni dopo dal chimico tedesco Heinrich Klaproth nei minerali di rutilo. Nel 1795 Klaproth battezzò l'elemento con il nome dei Titani della mitologia greca. Il metallo di titanio non venne usato al di fuori dei laboratori fino al 1946 quando William Justin Kroll dimostrò che il titanio poteva essere prodotto commercialmente tramite riduzione del tetracloruro di titanio con il magnesio (un metodo ancora in uso tutt'oggi). Quindi possiamo asserire che vi sono tre processi per ottenere il titanio commercialmente puro: 1. processo al cloruro; 2. processo al solfato; 3. processo al carbonato di potassio e acido fluoridrico. 97

98 Titanio e le leghe di titanio Processo al Cloruro L elemento principale di questo processo è rappresentato dal rutilo che viene scaldato con cloro e carbon coke a 900 C che porta alla formazione del tetracloruro di titanio (TiCl 4 ), che è volatile e può così essere separato da ogni impurezza.in seguito il TiCl 4 viene riscaldato con O 2 a 1200 C; si forma TiO 2 puro e Cl 2, che viene riutilizzato: TiO + Cl + 2C TiCl 2CO Successivamente, questo viene ridotto in fase liquida mediante magnesio metallico in presenza di un atmosfera inerte, secondo la seguente relazione: 2 Mg TiCl + 2C MgCl + Ti Si ottiene cosi un prodotto commerciale poroso, detta spugna di titanio, che deve essere successivamente addensato mediante rifusione all arco in un forno elettrico Processo al Solfato In questo caso l elemento che far marciare il processo è l ilmenite FeTiO 3, che viene digerita con acido solforico concentrato: si formano così solfato ferroso, solfato ferrico (rispettivamente FeSO 4 e Fe 2 (SO 4 ) 3 ) e solfato di titanile TiO SO 4. La massa è lisciviata con acqua e ogni materiale viene rimosso. Lo ione ferrico (Fe 3+ ) in soluzione viene ridotto a ferroso (Fe 2+ ), usando limatura di ferro, e quindi FeSO 4 viene cristallizzato per evaporazione sotto vuoto e raffreddamento. La soluzione di TiOSO 4 viene idrolizzata mediante ebollizione e la soluzione viene seminata con cristalli di rutilo. 98

99 Titanio e le leghe di titanio Processo al Carbonato di Potassio Un altro metodo è costituito dal trattamento del minerale ridotto in polvere con carbonato di potassio e acido fluoridrico acquoso, in modo da formare l'esafluorotitanato (IV) di potassio K 2 [TiF 6 ], un sale che può essere facilmente separato dalle scorie perché solubile in acqua in opportune condizioni di temperatura. L'aggiunta di ammoniaca alla soluzione determina la precipitazione di un ossido ammoniacale che, per calcinazione in un crogiuolo di platino, rigenera il diossido. 5.3 Classificazione del Titanio e delle leghe di Titanio. Nella descrizione delle leghe di titanio, risulta importante ricordare la struttura del reticolo cristallino. Infatti a temperatura ambiente, il titanio presenta, come detto prima, un reticolo cristallino esagonale compatto, noto come fase α; questa fase si trasforma a 885 C in una fase cubica a corpo centrato. La trasformazione β α non è controllata da diffusione atomica ed è quindi di tipo martensitico; essa avviene perciò quasi istantaneamente anche per variazioni molto lente della temperatura. Conseguentemente risulta importante come l aggiunta di elementi di lega al titanio possa influenzare la temperatura di trasformazione α β. Si è soliti dividere gli elementi di lega in stabilizzanti della fase α e di quella β. Ciò significa che, se si aggiunge al titanio uno stabilizzante della prima (alluminio, azoto, ossigeno), la temperatura di trasformazione α β aumenta, mentre avviene il contrario per uno stabilizzante della seconda (cromo, ferro, molibdeno, manganese). Risulta evidente da quanto detto sopra, che la struttura di una lega di titanio può essere costituita dalla sola fase α, dalle due fasi α+β, o dalla 99

100 Titanio e le leghe di titanio sola fase β, in relazione ai tenori relativi degli elementi di lega α- stabilizzanti o β-stabilizzanti presenti e al trattamento termico Leghe α Le leghe alfa (Tabella 2) sono un pò meno resistenti a corrosione rispetto al titanio non legato, ma possiedono resistenza maggiore sia di quest ultimo che di tutte le altre leghe di titanio; inoltre, resistono all ossidazione ad alte temperature (300 C C) e presentano miglior saldabilità rispetto ai vari tipi di titanio CP ed ottima duttilità. I livelli di resistenza a temperatura ambiente, comunque, sono i più bassi e queste composizioni non rispondono a trattamento termico. La principale variabile microstrutturale delle leghe alfa è la dimensione del grano. Per una composizione fissata, la resistenza a breve termine (snervamento) e la resistenza a lungo termine (rottura per creep) sono influenzate dalla dimensione del grano e dall energia immagazzinata (se ce n è) a deformazione. Tra le leghe alfa ci sono tipologie ad alto contenuto di alluminio, con così poca quantità di beta da essere identificate come super alfa. Le leghe alfa più comuni sono la lega Ti-5Al-2,5Sn ed una lega con bassa quantità di elementi interstiziali (ELI), che ha la stessa composizione della precedente. La qualità ELI può essere ottenuta commercialmente per colata o con ogni altro tipo di lavorazione ed è usata in numerose applicazioni aerospaziali; inoltre, è utilizzata per realizzare serbatoi a riempimento di idrogeno liquido e per vasi ad alta pressione operanti al di sotto di circa 200 C, componeti in lamierino lavoranti fino a 480 C e tubazioni di scarico di motori di aeroplano poiché essa mantiene duttilità e tenacità alle temperature criogeniche. 100

101 Titanio e le leghe di titanio Sigla R Rs A HR Trans. Forg. Distenzione Ricottura [MPa] [MPa] [%] b/c [ C] [ C] [ C] [h] [ C] [h] mezzo Leghe α Ti-5Al ¼ / c ,5Sn aria Ti-4Al- 2,5Sn c Ti-8Al ¼ c ,5Nb aria Ti-7Al ¼ Zr ½-4 aria Leghe α+β Le leghe alfa-beta contengono sia elementi alfa stabilizzanti che beta stabilizzanti; queste leghe possono essere rinforzate con trattamento termico o con lavorazioni termo-meccaniche. Generalmente, quando si desidera un rinforzo, le leghe vengono raffreddate rapidamente a partire da alta temperatura (nel range di temperature di stabilità alfa-beta o anche sopra la temperatura di beta transus). Questo trattamento di solubilizzazione è seguito da un trattamento a temperatura intermedia (invecchiamento o ageing) per produrre la giusta miscela di prodotti alfa e beta trasformati; in tal modo queste leghe possono essere lavorate mentre il materiale è ancora duttile e, successivamente, subiscono il trattamento termico che permette di rinforzare il materiale. La risposta al trattamento termico dipende dalla velocità di raffreddamento adottata a partire dalla temperatura di solubilizzazione e, quindi, può essere legata alle dimensioni della sezione. Le leghe alfa-beta hanno un alta resistenza ma sono meno formabili delle leghe alfa; la saldatura per fusione si ottiene con efficienze del 101

102 Titanio e le leghe di titanio 100%. Questa classe di leghe di titanio incide su oltre il 70% di tutto il titanio impiegato commercialmente. Dal punto di vista microstrutturale, i costituenti alfa, quelli rimasti beta e quelli trasformati in beta possono esistere in diverse forme: equiassici, aciculari o come combinazione di questi due. Le strutture equiassiche si formano durante la lavorazione della lega nel range di temperature alfabeta e durante la ricottura a basse temperature; le strutture aciculari, invece, hanno origine da lavorazioni o da trattamenti termici a temperature prossime alla beta transus, seguiti da rapido raffreddamento. Il rapido raffreddamento dalle alte temperature nel range alfa-beta si traduce nella formazione di strutture primarie di alfa equiassico e secondarie di beta trasformato. Le dieci leghe alfa-beta più comuni (Tabella 3) presentano composizioni molto diverse tra loro e, quindi, le loro caratteristiche generali sono piuttosto variabili. Questo range di composizione comprende leghe fortemente stabilizzate con beta e leghe profondamente indurite, quali Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-6Al-6V-2Sn, che forniscono alta resistenza a temperatura ambiente ed a temperature intermedie; ci sono, inoltre, composizioni più povere di elementi in lega, come Ti-6Al-4V, che è la lega di titanio maggiormente utilizzata (rappresenta infatti circa il 45% della produzione globale). Considerando un basso indurimento, l alto contenuto di alluminio di quest ultima le conferisce un eccellente resistenza ed ottime proprietà ad elevate temperature; essa è considerata una lega di titanio per scopi generici e le può essere attribuita qualsiasi forma attraverso lavorazione o per colata. Alterando i livelli interstiziali di Ti-6Al-4V si danno nuove proprietà alla lega: la riduzione degli elementi interstiziali produce un eccellente tenacità, un punto importante nelle applicazioni criogeniche e nelle applicazioni a profonda immersione; con un trattamento termico appropriato, inoltre, 102

103 Titanio e le leghe di titanio la resistenza della lega Ti-6Al-4V aumenta fino al 35% di quella in condizioni ricotte Sigla R Rs A HR Trans Forg. Distenzione Ricottura [MPa] [MPa] [%] b/c [ C] [ C] [ C] [h] [ C] [h] mezzo Legh α+β Ti /2- Forno c ¼ 8Mn aria Ti-6AlaV c Aria/forno Ti-6Al /4-6V c Aria/forno Sn Ti-7Al c Aria/acqua 4Mo Leghe β Il titanio può esistere completamente in fase beta a temperatura ambiente (fase beta metastabile); l addizione di alcuni elementi in lega, infatti, può inibire la trasformazione da beta ad alfa. Le leghe beta sono abbastanza ricche di beta stabilizzanti (e povere di alfa stabilizzanti), in modo che possa essere ottenuta con velocità di raffreddamento appropriate una microstruttura in cui sia presente solo fase beta. Proprio a causa del loro alto contenuto di elementi in lega, le leghe beta hanno densità maggiore (4,84-5,06 g/cm 3 ) rispetto alle leghe alfa-beta e, quindi, i valori dei loro rapporti resistenza/densità non possono essere alti come quelli delle leghe alfa o alfa-beta. Le leghe beta sono instabili e la precipitazione di fase alfa nella fase beta metastabile è un metodo usato per rinforzarle; sono, quindi, leghe in grado di acquisire una buona durezza, hanno buona lavorabilità a freddo quando sono 103

104 Titanio e le leghe di titanio trattate in soluzione e presentano alta resistenza quando sono invecchiate. Sigla R Rs A HR Tra For Disten Ricottura [MPa] [Mpa] [%] b/c [ C] [ C] [ C] [h] [ C] [h] mezzo Leghe β Ti-8V-5Cr ½ Forno c ½-2 1Al aria Ti-13V ¼ /8- Aria/ c Cr-3Al acqua 5.4 Tecnologie di lavorazione Fusione e produzione di getti A causa dell elevatissima reattività del titanio con tutti i materiali refrattari noti e la sua facile contaminazione con ossigeno, azoto e idrogeno, risulta necessario utilizzare tecniche fusorie e di colata avanzate come il forno ad arco in atmosfera protettiva e quello a fascio elettronico operante sotto vuoto Lavorazione a caldo Le tecniche di fucinatura alla pressa ed al maglio del titanio sono essenzialmente le stesse di quelle per gli acciai basso legati, considerando la bassa conducibilità termica del titanio e la sua sensibilità alla contaminazione con l'idrogeno quando viene scaldato in atmosfera riducente. L utilizzo di forni elettrici di preriscaldamento è ottimale, ma spesso vengono usati forni ad olio o a gas, a condizione che l atmosfera sia in eccesso di ossigeno e che il tempo e la temperatura siano mantenuti ad un valore minimo coerente col 104

105 Titanio e le leghe di titanio riscaldamento uniforme; nei forni ad olio o a gas dovrebbe essere evitato il contatto diretto tra fiamma e pezzo in lavorazione. Come indicazione di massima si assume un ora per 50 mm di spessore della sezione. È preferibile avere le macchine utilizzate nella fucinatura attendenti il metallo, piuttosto che il metallo, mantenuto ad alta temperatura, che attende il suo turno alla forgia. Buoni metodi di trattamento minimizzano la contaminazione, riducendo il numero di riscaldi necessari; il preriscaldamento degli utensili ed il mantenimento di un tempo di contatto il più breve possibile riducono il raffreddamento della superficie e la possibilità di criccatura. C è una velocità ottimale di lavorazione dipendente dalla lega che viene forgiata, dalla geometria del pezzo e dalla temperatura impiegata. Una lavorazione troppo pesante può provocare accumulo di calore al centro del pezzo, con conseguente crescita del grano o possibile cambiamento di fase, che possono condurre ad una perdita di duttilità. Ancora, colpi leggeri ripetuti o tentativi di continuare la fucinatura ad una temperatura troppo bassa possono promuovere la criccatura e dovrebbero essere evitati. Inoltre, troppi riscaldi con piccole deformazioni tra uno e l altro sono nocivi poiché conducono ad una microstruttura grossolana e, conseguentemente, a proprietà meccaniche basse Lavorazione a freddo La produzione per deformazione a freddo di lamiere, nastri si serve degli stessi impianti degli acciai inossidabili convenzionali; tuttavia sono richieste molte ricotture intermedie di ricristallizzazione tra i C poiché sono tollerate riduzioni dell ordine del 30-40%. 105

106 Titanio e le leghe di titanio Lavorazione con asportazione di truciolo Fresatura Nella fresatura, la fresa è efficace solo per parte di ogni giro: durante il periodo di taglio, lo spargimento di titanio e il danneggiamento per attrito dei denti provocano usura o scheggiatura dell'utensile; durante il resto del giro, il truciolo rimane saldato strettamente al dente ed è coinvolto nella successiva operazione di taglio. Ciò può essere in parte ridotto dall utilizzo di una fresatura messa a punto rigidamente, che produce un truciolo d uscita sottile, il quale si stacca dal dente con maggior facilità. I refrigeranti a base di acqua riducono le temperature di taglio e minimizzano il danneggiamento per attrito. Le convenzionali frese d'acciaio rapido possono essere utilizzate per la produzione a basso volume di piccole parti e per altre operazioni di minor importanza. Le frese con punta in carburo sono più utili per alte velocità di produzione o per operazioni di rimozione del metallo, come nella fresatura frontale o nella fresatura delle lastre. Quando inizia la lavorazione di un nuovo pezzo, è sempre consigliabile usare una bassa velocità di taglio ed aumentarla solo in seguito a velocità più alte Tornitura ed alesatura. Nella tornitura e nell alesatura non ci sono operazioni particolarmente difficili se vengono utilizzate le corrette condizioni di taglio; inoltre, sono desiderabili dispositivi che spezzettino il truciolo. L'esperienza suggerisce che l'acciaio rapido è migliore per il taglio di forma, per i tagli discontinui o per i tagli ad immersione; gli utensili a base di carburi sono utilizzati normalmente per lavori di taglio continuo, per articoli di produzione ad alto volume o per operazioni di rimozione del metallo; gli utensili in lega non ferrosa ottenuti per colata sono adatti ad 106

107 Titanio e le leghe di titanio impegnativi tagli ad immersione, per lavorare alla contropunta fissa e per produrre strette scanalature. Come in altre operazioni di lavorazione, è sempre meglio usare avanzamenti positivi e costanti, evitare di soffermarsi, arrestarsi o rallentare nel taglio. I liquidi di taglio aiutano nel raffreddamento dell'utensile e favoriscono l'eliminazione del truciolo; il taglio a secco non è consigliato, se non per evitare la contaminazione del truciolo nel caso in cui lo sfrido debba essere recuperato. Un flusso costante di refrigerante a base d'acqua è il tipo di liquido più soddisfacente; una soluzione al 5% di nitrato sodio in acqua dà buoni risultati o anche un emulsione d olio solubile in acqua Saldabilita Il titanio risulta saldabile in maniera soddisfacente per punti, per scintillamento e ad arco in atmosfera protettiva per evitare la contaminazione dei giunti saldati, con conseguente infragilimento. Per certe applicazioni speciali la protezione del giunto con flusso di argon o di elio non è sufficiente, si preferisce eseguire la saldatura in opportune camere a tenuta e contenenti gas inerte secco o meglio operando mediante un fascio elettronico sotto vuoto che realizza cordoni di saldatura stretti e profondi. Le leghe α risultano saldabili più facilmente rispetto le leghe α+β, in cui il cordone risulta più fragile tanto da dover essere trattate termicamente Resistenza alla corrosione Il titanio commercialmente puro presenta un ottima resistenza alla corrosione anche a temperature elevate in numerosi ambienti, quali 107

108 Titanio e le leghe di titanio acidi fortemente ossidanti, soluzioni acquose di cloruri, cloro umido, ipocloro. Il titanio viene attaccato dall acido fluoridrico, cloridrico, solforico, ossalico e formico. Il titanio si ricopre di un film di ossido autocicatrizzante protettivo che lo rende nobile rispetto a numerosi materiali metallici. In particolare le leghe di titanio sono in genere meno resistenti alla corrosione del titanio commercialmente puro, ma entrambi resistono perfettamente alla corrosione a secco fino a temperature dell ordine di 550 C. 108

109 Zinco e le leghe di Zinco 6.1 Zinco e le leghe di Zinco Lo zinco è l elemento chimico facente parte dei metalli di transizione del blocco d e le cui proprietà generali sono le seguenti: Elemento di numero atomico 30 con struttura reticolare a temperatura ambiente di tipo e.c. ovvero esagonale compatto; Configurazione elettronica [Ar]3d 10 4s 2 Densità 7,13 g/cm^3; Durezza Brinnell (HB) 2,5; Punto di fusione 419,52ºC; Carico di rottura 27,6-124 MPa; Allungamento a rottura 40 %; Aspetto metallo grigio-azzurrognolo; Elevata fragilità a temperature ordinarie Duttile e tenace a temperature comprese tra i C; 6.2 Estrazione dello Zinco Avendo un basso punto di fusione,subisce già a temperatura ambiente fenomeni di creep, per cui risulta difficile valutare con precisione il modulo di Young ed il carico di snervamento. Lo zinco, è stato usato in leghe fin dai tempi più remoti, specialmente con il rame e lo stagno. Il metallo puro è stato conosciuto solo successivamente, nel 1746 da A. S. Marggraf. Il suo uso nella tecnica si diffuse solo dopo aver scoperto che si poteva facilmente laminare a caldo. Verso la fine dell Ottocento, E. Frankland scoprì gli zincoalchili, cioè i composti dello zinco con i radicali organici, i quali divennero ben presto molto importanti fra i composti organometallici per le grandi possibilità d impiego nelle sintesi organiche. In natura non si trova mai allo stato puro, ma sotto forma di ossido, ZnO; di silicato, Zn4[(OH)2Si2O7] H2O (calamina o emimorfite); di 109

110 Zinco e le leghe di Zinco carbonato, ZnCO3 (smithsonite); di ossido misto di ferro e zinco, ZnFe2O4 (franklinite) e di solfuro, ZnS (blenda o sfalerite). I minerali usati più comunemente per l'estrazione dello zinco sono la smithsonite e la sfalerite. Il primo passaggio del processo metallurgico di estrazione consiste nella trasformazione dei minerali in ossido di zinco tramite calcinazione. Gli ossidi ottenuti vengono poi ridotti dal carbone in una fornace elettrica; lo zinco viene raccolto liquido, scaldato fino all'ebollizione e distillato in storte di refrattario. Lo zinco ottenuto per distillazione contiene impurezze di ferro, arsenico, cadmio e piombo e viene definito zinco termico. In alternativa, i minerali calcinati vengono trattati con acido solforico. Si ottiene una soluzione di solfato di zinco che, purificata da tutti gli altri metalli, viene elettrolizzata. Lo zinco elettrolitico è puro al 99,99% e presenta proprietà molto ricercate Zinco di purezza commerciale Lo zinco può essere lavorato per deformazione plastica nelle forme più varie con metodi di lavorazione più comuni; tuttavia presenta una temperatura di ricristallizzazione inferiore a quella ambiente e pertanto durante la deformazione plastica anche a temperatura ambiente si autoricuoce e di conseguenza non può essere incrudito. La presenza di impurezze o elementi di lega ne aumenta la temperatura di ricristallizzazione, pertanto se si utilizza zinco di bassa purezza, esso può essere parzialmente incrudito, mentre se si vuole realizzare un profondo stampaggio, è preferibile utilizzare zinco di elevata purezza. L utilizzo principale dello zinco commercialmente puro è quello di prevenire la corrosione dell acciaio, sia tramite rivestimenti superficiali, sia tramite collegamenti di anodi sacrifiziali massivi di zinco da collocare alla struttura da proteggere. 110

111 Zinco e le leghe di Zinco I rivestimenti di zinco, in generale, sono realizzati tramite immersione a caldo, per deposizione galvanica, per deposizione a spruzzo del metallo fuso, per pitturazione a freddo ed infine per sherardizzazione, termine originario dal nome dell'inventore del processo, Sherard Osborn Cowper-Coles.Indica un metodo di protezione superficiale dell'acciaio consistente in un trattamento termico di diffusione con polvere di zinco. La sherardizzazione viene attuata mettendo i pezzi da proteggere a contatto con una fine polvere di zinco e con un miscuglio di sostanze inerti e riducenti, a una temperatura compresa fra i 330 e i 400 ºC. Tale protezione contro le normali corrosioni, migliore di quella che può dare la zincatura, viene applicata particolarmente ai pezzi finiti, ad es. alla bulloneria. 6.3 Classificazione dello Zinco e delle leghe di Zinco Riportiamo di seguito le composizioni chimiche e le principali proprietà delle leghe di zinco: Sigla Composizione Stato R[MPa] Rs[MPa] HB Zinco Lam. caldo Zn-0,08Pb commerciale Lam. freddo Zinco Zn-0,75Pb Lam. caldo commerciale 0,065Cd Lam. freddo Zinco Zn-0,37Pb Lam. caldo commerciale 0,35Cd Lam. freddo Lega di zinco Zn-1Cu Lam. caldo Lam. freddo Zamak-2 Zn-4Al-3Cu- 0,05Mg Getto in sabbia Zamak-3 Zn-4Al- 0,05Mg<0,15Cu Getto pressofuso Zamak-5 Zn-4Al-1Cu- Getto pressofuso ,05Mg Getto in sabbia Leghe da deformazione plastica Questa classe di leghe sono caratterizzate dall aggiunta di piombo e di cadmio che ne aumentano la durezza, la resistenza meccanica. 111

112 Zinco e le leghe di Zinco L utilizzo principale di queste leghe consiste nella strumentazione meteorologica, piatti di fotoincisione. Allo stesso modo l aggiunta di rame, abbinato al magnesio, permette di aumentare la resistenza al creep e facilita l incrudimento. 6.5 Leghe da fonderia Di maggior interesse sono le leghe da fonderia zinco-allumino. Il diagramma di stato zinco-alluminio in cui la soluzione solida ricca in zinco è detta β mostra la presenza a temperatura di 382 C di un eutettico lamellare β+α 1, contenente il 5% di alluminio; la fase α 1 risulta stabile fino a 275 C, momento in cui si trasforma in un eutettoide β+α; a temperatura ambiente, dopo veloce raffreddamento,hanno una struttura formata da una soluzione solida primaria β(ricca di zinco) circondata da un eutettico lamellare fine. Contrariamente un raffreddamento lento, ovvero in forma di sabbia, comporta la formazione di un eutettico più grossolano β+α 1. L uso principale di queste leghe consiste nella realizzazione di getti presso fusi, grazie al loro basso costo di produzione e alla facile colabilità; presentano inoltre una buona resistenza meccanica, buona resistenza alla corrosione e infine sono facilmente lavorabili alle macchine utensili. L unica limitazione è rappresentata dalla temperatura, infatti se le lavorazioni si eseguono al di sopra dei 100 C la resistenza a trazione, così come la durezza si riducono rispettivamente del 30% e 40%. 112

113 Zinco e le leghe di Zinco Esempi di leghe di zinco Zamak-3 : contenente il 4% di alluminio e lo 0,04% di magnesio. Presenta una buona duttilità e ottima resistenza agli urti a temperature moderatamente elevate. Zamak-5 : contenente il 4% di alluminio, lo 0,05% di magnesio e l 1% di rame; risulta essere più dura e più resistente, tuttavia ha una peggiore colabilità 6.6 La zincatura Con l'espressione "zincatura a caldo" si intende parlare del processo di rivestimento che si crea immergendo l'acciaio in un bagno di zinco fuso. In tal modo si forma una protezione resistente meccanicamente e durevole nel tempo contro la corrosione grazie alla formazione di una lega superficiale Fe-Zn molto dura e all'instaurarsi di fenomeni di protezione di tipo elettrochimico tra lo zinco ed il substrato da proteggere. Nel 1741 il chimico francese Melouin scoprï che l'acciaio poteva essere protetto dalla ruggine mediante un rivestimento di zinco. Fu solo nel 1837, perú, che l'ingegnere francese Sorel brevettò la tecnica della zincatura a caldo. Egli osservò come la differenza di potenziale che si instaura tra zinco e acciaio fosse in grado di proteggerlo. Il metodo, in uso da allora, si Ë successivamente modificato e perfezionato tanto da costituire, attualmente, uno dei sistemi di protezione contro la corrosione tecnicamente più avanzati. 113

114 Zinco e le leghe di Zinco Il processo Benché il processo della zincatura a caldo sia piuttosto semplice, le reazioni metallurgiche che stanno alla base della costituzione del rivestimento sono alquanto complesse. Lo strato protettivo si genera in seguito alla formazione di una lega tra il substrato di acciaio e lo zinco fuso. Perchè si crei tale lega è indispensabile che la superficie del manufatto di acciaio sia sufficientemente pulita, spesso, infatti, appare contaminata da elementi estranei (ruggine, grassi ecc.). Prima di sottoporlo al bagno di zinco, è quindi necessario detergere l'acciaio mediante sgrassaggio e decapaggio, per ottenere una superficie chimicamente pulita. La reazione tra zinco fuso e acciaio avviene intorno ai 450ƒC, temperatura in cui i due metalli reagiscono rapidamente. Generalmente è sufficiente che l'acciaio resti immerso nel bagno per qualche minuto. Una volta estratto dalla vasca il manufatto zincato, il rivestimento si è già formato, la reazione procede, però, negli strati più interni della struttura, finché l'oggetto raggiunge temperature dell'ordine dei 200ƒC. 114

115 Zinco e le leghe di Zinco Pretrattamenti superficiali Per ottenere rivestimenti protettivi contraddistinti da livelli di qualità elevati. E necessario pulire perfettamente le superfici che devono supportare la zincatura. Normalmente il metodo di pulizia chimica adottato nelle zincherie prevede: sgrassaggio decapaggio flussaggio L'acciaio può, infatti, presentare strati superficiali contaminanti da sostanze dovute alla natura stessa della lega, quali ruggine e calamina causate dall'ossidazione, e da composti estranei, come oli, grassi, saponi, vernici, prodotti di precedenti lavorazioni e cosï via. In tal caso Ë indispensabile che i manufatti subiscano un opportuno pretrattamento, poiché gli strati estranei vengono eliminati con grande difficoltà e talvolta solo parzialmente dagli acidi decapanti Trattamenti in fase di produzione L'intervento più facile e conveniente è quello eseguito in sede di costruzione, evitando che i pezzi entrino in contatto con tali sostanze o, eventualmente, impiegando solventi specifici o riscaldamento con torcia e spazzolatura meccanica. Un'azione di rimozione durante le fasi di 115

116 Zinco e le leghe di Zinco zincatura comporterebbe inevitabilmente l'arresto del processo produttivo con ingenti conseguenze economiche. Scorie di saldatura, tracce di vernici ecc. vanno accuratamente eliminate con metodi meccanici quali sabbiatura, limatura e, in casi particolari, con l'uso della fiamma, poiché si dimostrano completamente inerti all'attacco chimico dei normali decapanti. Problemi particolarmente rilevanti si presentano per giunzioni articolate o punti di difficile raggiungimento, o nel caso di restauro di componenti storici, che richiedono trattamenti minuziosi e dunque più costosi. Sgrassaggio Residui di grassi e oli vengono invece puliti con un bagno di sgrassaggio, per il quale sono impiegate soluzioni alcaline o acide diluite in acqua. Ad esso segue una breve immersione dei pezzi in acqua per sciacquare le superfici dalle soluzioni di sgrassaggio. Decapaggio Il manufatto è successivamente sottoposto a decapaggio, normalmente eseguito a temperatura ambiente, per eliminare gli strati contaminanti 116

117 Zinco e le leghe di Zinco propri dell'acciaio. Generalmente, a tale scopo viene utilizzata una soluzione di acido cloridrico diluito: la durata del decappaggio dipende dalla concentrazione del bagno e dal grado di ossidazione del pezzo da zincare. Il manufatto è quindi nuovamente immerso in acqua per togliere resti di sali e acidi dalla superficie. Flussaggio L'ultima fase della pulizia Ë costituita dal flussaggio, che riveste la superficie di una pellicola protettiva, che impedisce l'ossidazione del pezzo, finché quest'ultimo viene immerso nello zinco fuso migliorando la reazione tra il ferro della superficie d'acciaio e lo zinco. In base al materiale e al prodotto trattati viene scelto il flussaggio adeguato, tuttavia, solitamente, si utilizza una soluzione di cloruri di zinco e ammonio. E' possibile spruzzare la superficie da zincare con la soluzione di flussaggio, in forma liquida o in polvere, oppure immergere il pezzo nello zinco fuso sul quale galleggi uno strato di flusso schiumoso. 117

118 Zinco e le leghe di Zinco Preriscaldamento ed essicamento Terminate le procedure di pulizia, il manufatto Ë sottoposto a una fase di preriscaldamento ed essiccamento, in cui la pellicola protettiva fornita dal flussaggio viene essiccata. In tal modo, oltre a eliminare l'umidità superficiale, si riduce il salto termico, favorendo ulteriormente la reazione zinco-ferro e abbreviando i tempi di immersione nello zinco fuso. Il bagno di zinco Conclusesi tutte le operazioni preparatorie si passa al vero e proprio processo di zincatura in cui il manufatto è immerso in un bagno di zinco fuso. Per ottenere risparmio energetico, con conseguente vantaggio economico, il riscaldamento dei bagni di sgrassaggio e dei forni di essiccamento Ë ottenuto sfruttando il calore dei gas di scarico proveniente dal riscaldamento del bagno di zincatura. 118

119 Indice figure INDICE FIGURE Figura 1 : metodo di estrazione dell alluminio Figura 2 : processo di anodizzazione Figura 3 : cella elettrolitica per la produzione di magnesio Figura 4 : schema di produzione del magnesio con processo carbotermico. Figura 5 : schema di produzione del magnesio con processo silicotermico. Figura 6 : saldatura MIG Figura 7 : diagramma di stato rame-alluminio Figura 8 : diagramma di stato rame-berillio. 119