Così come il Ferro e il Carbonio danno luogo al diagramma di equilibrio Fe-C, che permette di effettuare lo studio della solidificazione di acciai e ghise quando i raffreddamenti sono lenti, analogamente esistono simili diagrammi riguardanti le leghe non ferrose che consentono di individuare le strutture delle leghe alle varie temperature e per tenori diversi dei componenti. 1) Diagrammi di equilibrio delle leghe del Rame Il Rame ha la proprietà di sciogliere molti elementi. Tra questi ricordiamo lo Stagno e lo Zinco. Si hanno così rispettivamente i Bronzi e gli Ottoni. Diagrammi di equilibrio dei Bronzi I Bronzi sono leghe rame-stagno con percentuale di stagno inferiore al 28 %. L'aumento della percentuale di stagno, come illustrato nel grafico a fianco, aumenta la durezza della lega e diminuisce l'allungamento. La resistenza a trazione aumenta fino ad un tenore di stagno del 15 % per poi diminuire (ciò a causa della comparsa del costituente δ, che è molto duro e fragile). Il diagramma di equilibrio dei bronzi, che presenta punti peritettici e punti eutettoidi, risulta molto complesso perché, durante il raffreddamento, si formano soluzioni solide, miscele di soluzioni solide e costituenti chimici. Il diagramma ha importanza nel campo pratico perché fornisce indicazioni sulla lavorabilità della lega a caldo e/o a freddo a seconda della sua composizione. In particolare distinguiamo: Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 1
a) soluzione solida α di stagno nel rame, presente quando lo stagno è inferiore al 13,9 %, con reticolo C.F.C., duttile e malleabile a freddo e a caldo. La microfotografia a lato rappresenta la struttura (soluzione solida α) di una lega G-CuSn 10. b) soluzione solida β, presente da sola quando lo stagno è tra il 22 e il 27 %, tra i 798 ed i 587 C, é malleabile e lavorabile a caldo; per percentuali inferiori è mescolata alla soluzione solida α e per percentuali superiori alla soluzione solida γ. c) soluzione solida γ, presente da sola per temperature comprese tra i 750 e i 520 C e per tenori di stagno tra il 27 e il 38 %, è lavorabile a tali temperature, è fragile; tra i 587 e i 520 C è in miscela con la soluzione solida α. c) costituente δ, composto chimico molto duro e fragile, che si forma per scissione dalla soluzione solida γ alla temperatura di 520 C. La microfotografia a lato rappresenta la struttura (eutettoide nella matrice-soluzione solida α) di una lega G-CuSn 15. L ingrandimento è 200x. Diagrammi di equilibrio degli Ottoni Gli Ottoni sono leghe rame-zinco con zinco inferiore al 45 %. L'aumento della percentuale di zinco, come illustrato nel grafico a fianco, aumenta la durezza mentre l'allungamento e la resistenza a trazione dapprima aumentano per poi diminuire a causa della formazione di cristalli duri e fragili. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 2
Il diagramma di equilibrio degli ottoni, che presenta punti peritettici, risulta abbastanza complesso perché, durante il raffreddamento, si formano soluzioni solide e miscele di soluzioni solide. Il diagramma ha importanza nel campo pratico perché fornisce indicazioni sulla lavorabilità della lega a caldo e/o a freddo a seconda della sua composizione. In particolare distinguiamo: a) soluzione solida α di zinco nel rame, presente quando lo zinco è inferiore al 38 %, con reticolo C.F.C., è molto duttile e malleabile (per questo è adatta per imbutitura e stampaggio anche se la lavorazione a freddo ne provoca l incrudimento). La microfotografia a lato rappresenta la struttura (soluzione solida α) di una lega G-CuZn 30. Si nota la struttura grossolana e orientata disuniformemente. b) soluzione solida β, presente a partire di 860-905 C quando lo zinco è tra il 38 e il 54 %, è fragile a freddo e malleabile a caldo (per questo è adatta per stampaggio a caldo). c) soluzione solida γ, presente a partire da 860 C quando lo zinco è superiore al 58 %, è molto dura e fragile. d) miscela di soluzioni solide α + β, presente per temperature inferiori 905 C e per tenori di zinco tra il 31 e il 47 %, è dura e fragile a freddo e, quindi, lavorabile solo a caldo. e) miscela di soluzioni solide β + γ, presente per temperature inferiori a 850 C e per tenori di zinco tra il 48 e il 58 %, è molto dura e fragilissima per la presenza della soluzione γ. In generale si hanno: Ottoni α, con zinco inferiore al 35 %, adatti per lavorazioni a freddo Ottoni β, con zinco tra il 35 e il 45 %, adatti per lavorazioni a caldo Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 3
2) Diagrammi di equilibrio delle leghe dell Alluminio Le leghe dell Alluminio, dette leghe leggere, sono molte. Qui si prendono in considerazione quelle più caratteristiche, cioè quelle che l alluminio forma con il rame, con magnesio e silicio, e solo col silicio. In ogni caso, i diagrammi di equilibrio presentano una forma molto simile tra loro (che riportiamo a lato) qualunque sia l elemento aggiunto preso in considerazione. In essi si distinguono alcune zone fondamentali: Diagrammi di equilibrio delle leghe Alluminio-Rame 1) quella del liquido 2) quella del liquido + soluzione solida (α, β ) 3) quella dove è presente esclusivamente la soluzione solida (α, β ) 4) quella costituita da cristalli disposti nella massa di soluzione solida 5) quella costituita da soluzione solida + eutettico La lega Alluminio-Rame d interesse pratico ha percentuale di rame inferiore al 10 % in quanto, tenori superiori, rendono la lega molto dura e fragile. Il diagramma di equilibrio di tale lega comprende quattro zone fondamentali: 6) quella del liquido (alluminio + alluminuro di rame CuAl 2 ) 7) quella del liquido + soluzione solida α (costituita da alluminuro di rame CuAl 2 disciolto nell alluminio) 8) quella dove è presente esclusivamente la soluzione solida α 9) quella costituita da cristalli di CuAl 2 disposti nella massa di soluzione solida α. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 4
Dall analisi del diagramma, la solubilità del rame nell alluminio aumenta con la temperatura: a 100 C l alluminio scioglie solo lo 0,3 % di rame; alla temperatura eutettica T = 547 C si ha la massima solubilità del rame nell alluminio (corrispondente a Cu = 5,65 %). La soluzione solida α, molto omogenea, rende la lega adatta alle lavorazioni plastiche. Durante il raffreddamento lento, dalla soluzione solida α si separa il composto chimico CuAl 2, che è molto duro e fragile. I grani cristallini di tale composto rimangono imprigionati nella massa di soluzione solida α e rendono perciò la lega eterogenea e difficilmente lavorabile per deformazione plastica (lavorabile comunque alle macchine utensili). Per rendere meno fragile e lavorabile anche a freddo le leghe Al-Cu con rame tra 0,3 e 5,65 %, è quindi necessario raffreddare rapidamente la soluzione solida α, in modo da impedire la separazione dei cristalli di alluminuro di rame CuAl 2. La microfotografia a lato rappresenta la struttura di una lega Gc-AlCu 10. Intorno ai grani cristallini di soluzione solida α (grigio chiaro) si nota una struttura eutettica formata dalla soluzione solida α e dal composto chimico CuAl 2. Diagrammi di equilibrio delle leghe Alluminio-Silicio La lega Alluminio-Silicio d interesse pratico ha percentuale di silicio inferiore al 15 % in quanto, tenori superiori, rendono la lega molto dura e fragile. Il diagramma di equilibrio di tale lega comprende sei zone fondamentali: 1) quella del liquido (alluminio + silicio) 2) quella del liquido + soluzione solida γ (costituita da silicio disciolto in alluminio) 3) quella dove è presente esclusivamente la soluzione solida γ 4) quella costituita da cristalli di Si disposti nella massa di soluzione solida γ Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 5
5) quella costituita da soluzione solida γ + eutettico (costituito da cristalli di Silicio puro frammisti a cristalli di soluzione solida γ 6) la lega eutettica in corrispondenza dell 11,7 % di silicio per temperature inferiori a 577 C. Dall analisi del diagramma, la solubilità del silicio nell alluminio aumenta con la temperatura: a 200 C l alluminio scioglie solo lo 0,05 % di rame; alla temperatura eutettica T = 577 C si ha la massima solubilità del silicio nell alluminio (corrispondente a Si = 1,95 %). Durante il raffreddamento lento, dalla soluzione solida γ si separano cristalli grossolani di silicio puro Si, che rendono la lega eterogenea e le conferiscono fragilità. Per rendere meno fragile e lavorabile anche a freddo le leghe Al-Si, è necessario raffreddare rapidamente la soluzione solida γ, in modo da impedire la separazione dei cristalli di Silicio. La microfotografia a lato rappresenta la struttura di una lega Gs-AlSi 13. Sul fondo grigio chiaro di soluzione solida γ di silicio nell alluminio, si notano: - cristalli aciculari di eutettico (soluzione solida γ e silicio puro) - cristalli poligonali (grigio scuro) di silicio primario. Diagrammi di equilibrio delle leghe Alluminio-Magnesio-Silicio Lo studio della lega ternaria Alluminio-Magnesio-Silicio si riconduce in pratica a quello della lega binaria Alluminio-Siliciuro di magnesio Mg 2 Si ed ha interesse quando la percentuale di siliciuro di magnesio Mg 2 Si è inferiore al 3 %. Il diagramma di equilibrio di tale lega comprende quattro zone fondamentali: 1) quella del liquido (alluminio + siliciuro di magnesio Mg 2 Si) 2) quella del liquido + soluzione solida β (costituita dal composto chimico siliciuro di magnesio Mg 2 Si disciolto nell alluminio) 3) quella dove è presente esclusivamente la soluzione solida β 4) quella costituita da cristalli di Mg 2 Si disposti nella massa di soluzione solida β. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 6
Dall analisi del diagramma, la solubilità del siliciuro di magnesio Mg 2 Si nell alluminio aumenta con la temperatura: a 100 C l alluminio scioglie solo lo 0,27 % di siliciuro di magnesio Mg 2 Si; alla temperatura eutettica T = 595 C si ha la massima solubilità del siliciuro di magnesio Mg 2 Si nell alluminio (corrispondente a Mg 2 Si = 1,85 %). La soluzione solida β, sufficientemente omogenea, rende la lega adatta alle lavorazioni meccaniche. Durante il raffreddamento lento, dalla soluzione solida β si separa il composto chimico Mg 2 Si, che è molto duro e fragile. I grani cristallini di tale composto rimangono imprigionati nella massa di soluzione solida β e rendono perciò la lega eterogenea e difficilmente lavorabile. Per rendere meno fragili e lavorabili le leghe Al-Mg-Si è quindi necessario raffreddare rapidamente la lega, in modo da impedire la separazione dei cristalli di siliciuro di magnesio Mg 2 Si. La microfotografia a lato rappresenta la struttura di una lega Gc-AlSi2MgMn. Sul fondo grigio chiaro di soluzione solida β (siliciuro di magnesio Mg 2 Si nell alluminio) si notano: - dendriti di siliciuro di magnesio Mg 2 Si (di colore grigio) - cristalli (grigio molto scuro) del composto Al 6 Mn. Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola - ITIS Galilei - Conegliano Pag. 7