Alluminio e sue leghe
Proprietà dell alluminio puro Basso peso specifico Elevata conducibilità eletrica Buona resistenza alla corrosione Scarse caratteristiche meccaniche L alligazione dell alluminio ne provoca una diminuzione della conducibilità elettrica e della resistenza alla corrosione, ma aumenta le caratteristiche meccaniche Impieghi dell alluminio puro: solo di tipo elettrico
Effetto degli alliganti sulla conducibilità elettrica dell Al
Effetto della temperatura sulle caratteristiche meccaniche dell alluminio ricotto ed incrudito
Principali elementi leganti dell alluminio Rame Manganese Magnesio Nichel Silicio Zinco Effetto degli elementi leganti sul peso specifico dell alluminio
Rame Il rame forma con l alluminio una lega con parziale solubilità allo stato solido che può dar luogo alla precipitazioni di seconde fasi coerenti o incoerenti (invecchiamento naturale o artificiale)
Effetto della concentrazione di rame sulle caratteristiche meccaniche dell alluminio per diversi trattamenti termici R: campioni ricotti, t: campioni temprati e provati subito (entro 1h) t 1 : campioni temprati e lasciati invecchiare naturalmente (4-5 giorni) t 2 : campioni temprati lasciati invecchiare naturalmente e poi invecchiati artificialmente)
In ogni condizione di trattamento termico il rame aumenta sia R che Rp, oltre il 6% tali valori rimangono costanti Con l invecchiamento artificiale della lega con 6% di Cu si raggiungono valori di R ed Rp paragonabili ad un acciaio dolce (440 e 270MPa) L aggiunta di Cu all Al ne aumenta il peso specifico, ne riduce il coefficiente di dilatazione termica, la conducibilità termica ed elettrica, ne peggiora nettamente la resistenza alla corrosione L invecchiamento artificiale diminuisce nettamente la resistenza alla corrosione
Manganese La solubilità del Mn nella fase α è dell 1.82% a 658 C e diminuisce al diminuire della temperatura Non precipita fasi intermedie per cui non dà luogo a leghe indurenti per precipitazione (a differenza del rame) Non peggiora di molto la resistenza alla corrosione
Magnesio L aggiunta di magnesio abbassa il peso specifico dell alluminio secondo la formula: Peso specifico lega= 2.70 0.014%Mg aumenta il coefficiente di dilatazione termica Abbassa la conducibilità elettrica e termica della lega Le caratteristiche meccaniche dipendono dal trattamento termico: per greggi di fusione si hanno R ed Rp minimi, i valori massimi di R ed Rp si ottengono per leghe con il 6-8% di Mg lavorate plasticamente e successivamente trattate termicamente
Caratteristiche meccaniche delle leghe Al-Mg dopo lavorazione plastica e trattamento termico
Silicio L effetto principale del silicio sulle leghe di Al è il miglioramento nella fabbricazione dei getti Migliora la fluidità Diminuisce la contrazione di volume associata alla solidificazione Elimina la fragilità a caldo Inoltre: abbassa il peso specifico, il coefficiente di dilatazione termica, ma diminuisce la conducibilità termica La resistenza alla corrosione atmosferica è migliore rispetto a quella delle leghe Al-Cu, ma inferiore alle leghe Al-Mg
Nichel Aumenta le caratteristiche meccaniche, in particolare ad alta temperatura Non varia sensibilmente la conducibilità elettrica Diminuisce il coefficiente di dilatazione termica Peggiora la resistenza alla corrosione
Zinco È il più efficace tra gli elementi di lega nell aumentare la resistenza meccanica Tuttavia le leghe Al-Zn hanno una pessima resistenza alla corrosione
Nomenclatura UNI delle leghe di alluminio Il raggruppamento delle leghe dell alluminio viene fatto per tipo secondo l elemento predominante (es. Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al- Mn, ) Le sigle si formano facendo seguire ad un lettera che indica: P: leghe da lavorazione plastica G: leghe da fonderia primaria SG: leghe da fonderia secondaria GD: leghe da pressofusione Il simbolo dell elemento (o una lettera convenzionale) e la percentuale media dell elemento preponderante Es: P-Al Cu o P-AC (lega alluminio/rame da deformazione plastica con % di rame. Se la lega è unificata non occorrono altri simboli, se esiste possibilità di incertezza va indicato anche un altro simbolo
Sistema di designazione unificata delle leghe di alluminio L alluminio e le sue leghe sono contraddistinti in base alla loro composizione chimica, con numeri di 4 cifre: 1 cifra: famiglia di appartenenza 2 cifra: eventuali varianti alla composizione di base 3 e 4 cifra: contraddistinguono la composizione di leghe originali
Leghe di alluminio 1000 Alluminio nei vari titoli di purezza commerciale (per questa sola famiglia la 2 a, 3 a e 4 a cifra contraddistinguono il titolo di purezza). Es. 1100 99.0%, 1050 99.5% 1070 99.7 %) 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Leghe Al-Cu Leghe Al-Mn Leghe Al-Si Leghe Al-Mg Leghe Al-Mg-Si Leghe Zn Leghe con altri elementi Serie non usuale
Stato di fornitura Lo stato di fornitura segue, sia per le leghe da deformazione plastica che per getti, la designazione chimica, separata da un trattino Consiste in una lettera indicante lo stato metallurgico, seguita (con la sola eccezione del materiale allo stato grezzo o ricotto) da una o più cifre F: grezzo di laminazione. Definisce il materiale uscente dal ciclo di produzione, 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 deformazione plastica a freddo. È sempre seguita da due o più cifre H1 leghe incrudite: la cifra successiva ad 1 indica il grado di deformazione plastica a freddo 9 extra-incrudimento 8 massimo incrudimento 6 tre quarti di incrudimento 4 semi-incrudimento 2 un quarto di incrudimento Spesso è aggiunta un altra cifra per indicare il grado di controllo della lavorazione o per identificare una combinazione di altre proprietà
H2 leghe incrudite e parzialmente ricotte. Si applica ai materiali di massimo incrudimento, portati poi al livello voluto di proprietà meccaniche con un trattamento termico di parziale ricristallizzazione. Il grado residuo di incrudimento è indicato con la stessa cifra da 1 a 9 vista prima H3 incrudite e stabilizzate. Si applica solo alle leghe Al-Mg deformate e successivamente riscaldate a bassa T per stabilizzare le proprietà. Il grado di incrudimento dopo la stabilizzazione è indicato con una o più cifre.
W: temprato e invecchiato naturalmente. Si applica alle leghe che invecchiano a T ambiente, dopo tempra di solubilizzazione. Viene completata con il periodo di invecchiamento Es. 2024-W(1h) T: trattato termicamente. Si applica ai materiali trattati termicamente, incruditi o meno. È seguita da una cifra che va da 1 a 10 ed eventualmente da altre cifre riferite a variazioni introdotte nelle condizioni di trattamento
Riassunto delle sigle degli stati metallurgici delle leghe di alluminio
Leghe da fonderia Impiegate principalmente per: Getti in sabbia Getti in conchiglia Getti pressofusi (5-140MPa)
Leghe da deformazione plastica È possibile ottenere elevate resistenze meccaniche per affinamento, omogeneizzazione del grano ed incrudimento per: Laminazione Forgiatura Estrusione Stadi di preparazione dei semilavorati: Colaggio del lingotto Lavorazione plastica a caldo (seguita eventualmente da una a freddo) del lingotto fino alla formatura del pezzo Trattamento termico
Leghe non trattabili termicamente Queste leghe sono rinforzate solo per deformazione plastica a freddo: 1100 3003, 3004 4043, 5005, 5052, 5056, 5083, 5056
Leghe trattabili termicamente Principali trattamenti termici: Ricottura Distensione Solubilizzazione Indurimento per precipitazione o invecchiamento
Ricottura Viene eseguita per lo più sulle leghe incrudite Si riscalda a 350 C e si raffredda a T ambiente La struttura incrudita ricristallizza in nuovi grani privi di sforzi interni e si ottiene una struttura dolce e duttile
Distensione Raccomandata per i giunti saldati di grande sezione Riscaldamento a 230 per 4 h seguito da un raffreddamento in aria o in acqua
Principali leghe di alluminio
Lavorazioni meccaniche L Al e le sue leghe sono caratterizzate da una favorevole attitudine alle lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo Hanno eccellente lavorabilità: Leghe da deformazione plastica della serie 2xxx Leghe da fonderia Al-si e Al-Si-Cu con Si< 10% Minore lavorabilità hanno: Alluminio commerciale Leghe da deformazione plastica della serie 3xxx e 5xxx
Saldatura delle leghe di alluminio L alluminio e le sue leghe sono saldabili in diversa misura a seconda della composizione chimica e delle peculiarità fisico-meccaniche Problemi di saldatura: Formazione di film di ossido Al 2 O 3 con alto punto di fusione Ritiro durante la solidificazione (cricche durante la saldatura)
Metodi di saldatura applicabili Saldatura a resistenza: Tutte le leghe di Al ad eccezione di alcune 2xxx e 7xxx e di qualche lega da fonderia Saldatura ad arco sotto gas inerte: Serie 1xxx (Al commerciale) 3xxx (Al-Mn) 5xxx (Al-Mg) 6xxx (Al-Mg-Si) 7xxx senza Cu (Al-Zn-Mg) Giunzione per brasatura: Indicato per serie 1xxx e le leghe 3003 e 3004 Sconsigliato per le leghe ad elevata resistenza es. 7075 (Al- Zn-Mg-Cu) e 2024 (Al-Cu-Mg)
Trattamenti superficiali/1 Trattamenti di preparazione delle superfici: Sgrassatura Decapaggio Lucidatura chimica Lucidatura elettrolitica Trattamenti meccanici: Pallinatura Smerigliatura Lucidatura Barillatura Sabbiatura Spazzolatura
Trattamenti superficiali/2 Trattamenti chimici ed elettrolitici: passivazione chimica Anodizzazione Rivestimenti galvanici Trattamenti fisici: Verniciatura Metallizzazione a spruzzo Metallizzazione sotto vuoto Metallizzazione per immersione
Passivazione chimica Vi si ricorre quando l ambiente non è eccessivamente aggressivo Ha costi bassi rispetto all anodizzazione Può essere usata come base per verniciature Si esegue: Bagni alcalini (cromato o bicromato di K e bicarbonato di sodio) per impieghi elettronici Bagni acidi (a base di cromati) per impieghi aeronautici
Anodizzazione Crescita elettrochimica del film di passività dell Al Si esegue in bagni di: Acido solforico Acido cromico Acido ossalico Permette di ottenere film spessi fino a 10-20 µm Si impiega per resistere alla corrosione atmosferica
Verniciatura Si impone per: Ambienti particolarmente aggressivi (acqua di mare per gli scafi delle imbarcazioni) Contenitori alimentari per alimenti con ph < 6 Per rapporti tra diametro e altezza del contenitore > 2/3 Non presenta particolari difficoltà Può essere preceduta da un trattamento superficiale