Indice

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INDICE ARGOMENTI

1.1 ALLUMINIO E LE LEGHE DI ALLUMINIO................................................ 6

1.2 Classificazione dell’alluminio e delle leghe di Alluminio ............... 9

1.3 Trattamenti termici....................................................................................... 10

1.4 Leghe da fonderia ........................................................................................... 11

1.4.1 Colata in sabbia a verde. ................................................................... 12

1.4.2 Colata in conchiglia a gravità. ....................................................... 14

1.4.3 Colata a bassa pressione. .................................................................. 14

1.4.3 Pressocolata. ............................................................................................ 15

1.5 Leghe da deformazione plastica............................................................... 17

1.5.1 Leghe non trattabili termicamente ............................................... 17

1.5.2 Leghe trattabili termicamente ........................................................ 18

1.6 Indurimento per Precipitazione ............................................................... 18

1.7 Principali leghe di Alluminio ..................................................................... 21

1.7.1 Esempi di leghe Al-Cu .......................................................................... 23

1.7.2 Esempi di leghe Al-Mn.......................................................................... 24

1.7.3 Esempi di leghe Al-Si ........................................................................... 26

1.7.4 Esempi di leghe Al-Mg .......................................................................... 28

1.7.4 Esempi di leghe Al-Si-Mg .................................................................... 29

1.7.5 Esempi di leghe Al-Zn .......................................................................... 31

1.8 Trattamenti Superficiali- Anodizzazione ............................................. 32

1.9 Saldatura............................................................................................................. 34

2.1 Magnesio e le leghe di Magnesio.............................................................. 37

2.2 Estrazione del Magnesio .............................................................................. 38

2.2.1 Il Processo Elettrolitico....................................................................... 39

2.2.2 Il Processo Termico ............................................................................... 41

2.3 Classificazione del Magnesio e delle leghe di Magnesio. .............. 43

2.4 Proprietà chimiche e meccaniche........................................................... 44

2.4.1Caratteristiche chimiche..................................................................... 45

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2.4.2 Caratteristiche meccaniche.............................................................. 45

2.5 Trattamenti Termici...................................................................................... 46

2.6 Leghe da fonderia ........................................................................................... 46

2.7 Leghe da deformazione plastica............................................................... 50

2.8 Saldatura............................................................................................................. 52

3.1 Nichel e le leghe di Nichel .......................................................................... 53

3.3 Trattamenti Termici...................................................................................... 54

3.3.1 Annealing-softening .............................................................................. 55

3.3.1-2 Trattamenti di soluzione............................................................. 55

3.3.2 Ageing .......................................................................................................... 55

3.4 Classificazione del Nichel e delle leghe di Nichel............................ 56

3.5 Principali leghe di Nichel ............................................................................ 57

3.5.1 Leghe di nichel-rame : ......................................................................... 57

3.5.2 Leghe di nichel-molibdeno : .............................................................. 58

3.5.3 Leghe di nichel-silicio .......................................................................... 58

3.5.4 Leghe di nichel-cromo : ....................................................................... 59

3.5.5 Leghe di nichel-cromo-molibdeno : ................................................ 60

3.5.6 Leghe di nichel-cromo-ferro: ............................................................. 61

3.5.7 Superleghe di nichel............................................................................. 62

4.1 Rame e le leghe di Rame ............................................................................. 64

4.2 Estrazione del rame ....................................................................................... 64

4.3 Classificazione del Rame raffinato e basso legato ........................... 67

4.3.1 Rame contenente ossigeno................................................................. 68

4.3.2 Rame disossidato ................................................................................... 69

4.3.3 Rame esente da ossigeno ................................................................... 69

4.4 Trattamenti Termici...................................................................................... 70

4.4.1 Rame all’ argento .................................................................................. 72

4.4.2 Rame al Tellurio e allo Zolfo............................................................ 73

4.4.3 Rame all’arsenico .................................................................................. 74

4.5 Proprietà delle leghe di Rame ................................................................... 74

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4.6 Classificazione del Rame e delle leghe di Rame ............................... 78

4.7 Ottoni ................................................................................................................... 80

4.7.1 Ottoni α-rossi............................................................................................ 80

4.7.2 Ottoni α-gialli........................................................................................... 81

4.7.3 Ottoni α+β................................................................................................... 82

4.8 Bronzi ................................................................................................................... 83

4.8.1 Bronzi allo stagno ................................................................................. 84

4.8.2 Bronzi al silicio....................................................................................... 85

4.8.3 Bronzi all’alluminio (Cuproallumini) ........................................... 85

4.8.4 Bronzi al Berillio .................................................................................... 88

4.8.5 Cupronichel............................................................................................... 91

4.8.6 Metalli Bianchi........................................................................................ 93

4.8.7 Leghe speciali di rame ........................................................................ 95

5.1 Titanio e le leghe di Titanio....................................................................... 96

5.2 Estrazione del Titanio .................................................................................. 96

5.2.1 Processo al Cloruro ............................................................................... 98

5.2.2 Processo al Solfato................................................................................ 98

5.2.3 Processo al Carbonato di Potassio................................................. 99

5.3 Classificazione del Titanio e delle leghe di Titanio. ....................... 99

5.3.1 Leghe α ...................................................................................................... 100

5.3.2 Leghe α+β ................................................................................................. 101

5.3.3 Leghe β ...................................................................................................... 103

5.4 Tecnologie di lavorazione ......................................................................... 104

5.4.1 Fusione e produzione di getti......................................................... 104

5.4.2 Lavorazione a caldo ........................................................................... 104

5.4.3 Lavorazione a freddo ......................................................................... 105

5.4.4 Lavorazione con asportazione di truciolo ............................... 106

5.4.4-1 Fresatura .......................................................................................... 106

5.4.4-2 Tornitura ed alesatura................................................................ 106

5.4.5 Saldabilita’ ............................................................................................. 107

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5.4.6 Resistenza alla corrosione .............................................................. 107

6.1 Zinco e le leghe di Zinco............................................................................ 109

6.2 Estrazione dello Zinco ................................................................................ 109

6.2.1 Zinco di purezza commerciale....................................................... 110

6.3 Classificazione dello Zinco e delle leghe di Zinco ......................... 111

6.4 Leghe da deformazione plastica............................................................. 111

6.5 Leghe da fonderia ......................................................................................... 112

6.5.1 Esempi di leghe di zinco................................................................... 113

6.6 La zincatura..................................................................................................... 113

6.6.1 Il processo................................................................................................ 114

6.6.2 Pretrattamenti superficiali............................................................. 115

6.6.2-1Trattamenti in fase di produzione ......................................... 115

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Alluminio e le leghe di alluminio

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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 55-91 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

Al2O3 (allumina), dall' 1 al 20 % di Fe 2O3 (ematite), dall'1 al 10 % di

Alluminio e le leghe di alluminio

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SiO2 (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):

Al2O3 (s) + 2 OH- (aq) + 3 H2O (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) ⇔ Al2O3 * 3H2O (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 1809. 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:

AlCl3 (s) + 3 K(Hg)x (l) ⇔ 3 KCl ( s) + Al(Hg)3X (l)

Alluminio e le leghe di alluminio

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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 1.5.107 tonnellate.

Il processo Hall-Héroult consiste nella deposizione catodica dell'

alluminio dalla criolite fusa (Na3AlF6) che contiene l' ossido o A2lO3 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 (50.000 fino a 100.000 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 AlF63- è

un solvente eccellente dell' ossido di alluminio che produce un

equilibrio ripartito tra gli ioni Al+3, AlF2+, AlF2+, ...., AlF63-e O2- 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 A2lO3 (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.

Alluminio e le leghe di alluminio

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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:

Alluminio e le leghe di alluminio

10

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

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

Alluminio e le leghe di alluminio

11

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 10.

1.4 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

12

1.4.1 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

13

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.

Alluminio e le leghe di alluminio

14

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.

1.4.2 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.

1.4.3 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

Alluminio e le leghe di alluminio

15

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 35-40 m di alluminio con conseguente ottenimento di

una struttura molto più compatta e costosa.

1.4.3 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

Alluminio e le leghe di alluminio

16

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

1.000 a 40.000 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

Alluminio e le leghe di alluminio

17

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).

1.5.1 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

18

1.5.2 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

19

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

Alluminio e le leghe di alluminio

20

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.

Alluminio e le leghe di alluminio

21

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 2017-0 possiede, dopo tempra di

solubilizzazione, un carico di rottura di 178 MPa ed un allungamento

percentuale del 22% ; per invecchiamento naturale la resistenza cresce

Alluminio e le leghe di alluminio

22

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-AlCu2 alla

temperatura di 548 °C e alla composizione 33% di Cu in peso.

L’indurimento di queste leghe avviene per precipitazione.

Alluminio e le leghe di alluminio

23

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.

1.7.1 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 MnAl6

Alluminio e le leghe di alluminio

24

.

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 MnAl6

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

1.7.2 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

25

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.

Alluminio e le leghe di alluminio

26

1.7.3 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

27

L’eutettico Al-Mg2Al3 si ha ad una concentrazione di 35% di Mg in peso

ad una temperatura di 450 °C. Per causare la precipitazione di Mg2Al3

(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.

Alluminio e le leghe di alluminio

28

1.7.4 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 214-218-220(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 2000.

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

Mg2Si. Per ottenere prodotti estrusi con questa lega normalmente si

mantengono Mg e Si al di sotto dell’1.5% in peso. Il Silicio, infine,

Alluminio e le leghe di alluminio

29

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.

1.7.4 Esempi di leghe Al-Si-Mg

Il magnesio ed il silicio si combinano insieme formando un composto,

denominato il siliciuro di magnesio (Mg2Si), che a sua volta forma un

eutettico con l’alluminio.

La maggior resistenza meccanica, infatti è dovuta alla precipitazione del

composto Mg2Si, 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

30

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.

Alluminio e le leghe di alluminio

31

1.7.5 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.

Alluminio e le leghe di alluminio

32

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

Alluminio e le leghe di alluminio

33

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

Alluminio e le leghe di alluminio

34

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:

Alluminio e le leghe di alluminio

35

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.

Alluminio e le leghe di alluminio

36

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 (Al2O3)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.

Magnesio e le leghe di Magnesio

37

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 185-232 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.

Magnesio e le leghe di Magnesio

38

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.

I processi elettrolitici interessano il cloruro di magnesio anidro (MgCl2)

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(CO3)2] e la

magnesite [MgCO3]. 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

PROCESSI DI PRODUZIONE DEI LINGOTTI

Processi a raffinazione elettrolitica

Processi a reazione

I.G.

DOW

AMC

PIDGEON

MAGNETHERMM

Magnesio e le leghe di Magnesio

39

molto elevata a causa della sua reattività; si passa così dai 394 MJ/Kg

del processo elettrolitico ai 276 MJ/Kg del processo magnetotermico.

2.2.1 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.

Magnesio e le leghe di Magnesio

40

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:

COMgClClCMgO +→++ 22 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’MgCl2 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’MgCl2 ottenuto, è pronto per alimentare la cella

elettrolitica.

Magnesio e le leghe di Magnesio

41

2.2.2 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

↑+↑↔+ COMgCMgO

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, H2; C, forno; D, ciclone; E, filtro; F, H2+CO; G, polvere di Mg; H, forno di distillazione; I, refrigerante; L, filtro e refrigerante olio; M, pompa; N, Mg in sfere; O, compressore H2+CO; P, torre di assorbimento CO2; Q, vapore H2O; R, S, liquido assorbimento della CO2; T, reattore catalitico.

Figura 5: schema di produzione di magnesio con processo silico-termico. A, CO2; B, MgCa (CO3)2; C, forno di calcinazione; D, Fe-Si; E, MgO + CaO; F, mulino; G, CaF2; 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 Ca2SiO4, Fe; T, forno di rifusione; U, Mg lingottato.

Magnesio e le leghe di Magnesio

42

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 (1100 ÷ 1200°

C). Si parte da dolomite calcinata e la reazione di riduzione è la

seguente:

( ) 222 SiOCaOMgMgOCaOSi ⋅+↑→⋅+

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].

Magnesio e le leghe di Magnesio

43

Il processo Magnetherm (Francis Pechiney Electrometallurgie) usa un

forno elettrico ad arco operante ad una temperatura di 1500 - 1550 °C e

ad un livello di vuoto di 10 - 15 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 (Al2O3) 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:

Magnesio e le leghe di Magnesio

44

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.

Magnesio e le leghe di Magnesio

45

Riportiamo di seguito una tabella in cui vengono elencate le

caratteristiche chimiche-meccaniche del magnesio:

2.4.1Caratteristiche chimiche

2.4.2 Caratteristiche meccaniche

Magnesio e le leghe di Magnesio

46

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.

Magnesio e le leghe di Magnesio

47

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 5-100 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

Magnesio e le leghe di Magnesio

48

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 pre-

riscaldato), e viene mantenuto finché l’intero pezzo non è

solidificato. L’alta pressione applicata (tipicamente 55-100 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

Magnesio e le leghe di Magnesio

49

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.

HIGH PRESSURE

DIE CASTING

LOW PRESSURE

DIE CASTING

VACUUM DIE CASTING

SQUEEZE CASTING

GRAVITY CASTING

TILT CASTING

COLATA IN FORMA PERMANENTE(DIE CASTING)

Magnesio e le leghe di Magnesio

50

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

Magnesio e le leghe di Magnesio

51

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 315 - 370 °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.

Magnesio e le leghe di Magnesio

52

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.

Nichel e le leghe di Nichel

53

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 Ar3d84s2

Densità 8,90 g/cm^3;

Durezza Brinnell (HB) 4,0;

Punto di fusione 1453°C;

Carico di rottura 310-400 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

Nichel e le leghe di Nichel

54

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..

3.3 Trattamenti Termici I trattamenti termici che si eseguono sulle leghe e superleghe di nichel

possono essere suddivise in tre gruppi:

1. Annealing (ricottura);

Nichel e le leghe di Nichel

55

2. Softening (rammollimento);

3. Ageing (invecchiamento).

3.3.1 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.

3.3.1-2 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.

3.3.2 Ageing

L’ obiettivo di questo processo è la precipitazione di fase indurente in

una forma tale da massimizzare le proprietà meccaniche.

Nichel e le leghe di Nichel

56

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:

Nichel e le leghe di Nichel

57

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 Mg0,35

3.5 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 nichel-

rame, nichel-molibdeno, nichel-silicio, nichel-cromo, nichel-cromo-

molibdeno, nichel-cromo-ferro, e el superleghe di nichel.

3.5.1 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 400 66,5 31,5 0,15 1,0 1,25 0,12 0,25 _ _

Monel 404 54,5 44,0 0,08 0,05 0,025 0,12 0,05 0,03 _

Nichel e le leghe di Nichel

58

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.

3.5.2 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 1,0 _ _

3.5.3 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

Nichel e le leghe di Nichel

59

all’acido solforico a tutte le concentrazioni e a temperature fino al punto

di ebollizione.

3.5.4 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 625 9 _ resto 3,0 0,05 0,15 0,20 22 0,30 0,20 Nb=4,0

Inconel 700 3,7 28,5 resto 0,7 0,12 0,10 2,20 15 0,30 3,00

Inconel 702 _ _ resto 0,35 0,04 0,05 0,70 16 0,20 3,40

Inconel 722 _ _ resto 6,50 0,04 0,55 2,40 15 0,20 0,60

Inconel X-750 _ _ resto 6,75 0,04 0,70 2,50 15 0,30 0,80 Nb+Ta=0,9

Inconel 751 _ _ resto 6,75 0,04 0,70 2,50 15 0,30 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.

Nichel e le leghe di Nichel

60

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.

3.5.5 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 98 55 5,5 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.

Nichel e le leghe di Nichel

61

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.

3.5.6 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 800 33 21 0,1 <1,5 1,0 _ _ resto _

Incoloy 825 42 21,5 0,05 <1,0 <0,5 3,0 <0,20 resto 0,90

Incoloy T 30 21 0,10 1,0 0,8 _ _ resto 1,0

Incoloy 901 40 13 0,05 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

Nichel e le leghe di Nichel

62

di forni per trattamenti termici e impianti chimici operanti in atmosfere

aggressive fino a temperature di 1000°C.

3.5.7 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 Tfusione e per tempi

che superano le 100.000 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 Ni3(Al,Ti) è relativamente stabile e le proprietà

Nichel e le leghe di Nichel

63

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.

Rame e le leghe di rame

64

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]3d104s1

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

Rame e le leghe di rame

65

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

Rame e le leghe di rame

66

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

Rame e le leghe di rame

67

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%).

Rame e le leghe di rame

68

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.

4.3.1 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-

Cu2O 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

Cu2O 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.

Rame e le leghe di rame

69

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.

4.3.2 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).

4.3.3 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

Rame e le leghe di rame

70

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.

Rame e le leghe di rame

71

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 alluminio-silicei (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)

C86100-C86800 Bronzi al manganese e bronzi al

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

Rame e le leghe di rame

72

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

4.4.1 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

Rame e le leghe di rame

73

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.

4.4.2 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.

Rame e le leghe di rame

74

4.4.3 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-

Rame e le leghe di rame

75

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

Rame e le leghe di rame

76

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 ).

Rame e le leghe di rame

77

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.

Rame e le leghe di rame

78

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:

Rame e le leghe di rame

79

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 C70000

1. 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:

1.1.1. ottoni α-rossi con il 5-20% di zinco;

1.1.2. 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.

Rame e le leghe di rame

80

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 β1

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.

4.7.1 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:

Rame e le leghe di rame

81

Sigla R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Nome comm.

Comp Nomi

StatoMPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Ottoni α rossi

C21000 dorato 95Cu-

5Zn Ric. 240 76 45 f52 dur 385 345 5 64

C22000 comm.90Cu-

10Zn Ric. 260 83 45 f57 dur 420 370 5 70

C23000 rosso 85Cu-

15Zn Ric. 285 97 46 f63 dur 485 395 5 77

C24000 basso 80Cu-

20Zn Ric. 315 105 48 f66 dur 510 405 7 82

Le principali applicazioni di questo tipo di ottoni riguardano conduttori

elettrici, portalampade, condensatori e scambiatori di calore, nonché

per parti ornamentali, tubi flessibili.

4.7.2 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 R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Nome comm.

Comp Nomi

StatoMPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Ottoni α gialli

C21000 cartrige70Cu-

30Zn Ric. 340 115 57 f68 dur 524 435 8 82

C27000 giallo 65Cu-

35Zn Ric. 340 115 57 f68 dur 510 415 8 80

C34000 piombo

65Cu-

34Zn-

1Pb

Ric. 340 115 54 f68 dur 510 415 7 80

C44300 ammir

agliato

71Cu-

28Zn-

1Sn

Ric. 365 152 65 f75 dur 669 - 4 93

Rame e le leghe di rame

82

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.

4.7.3 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 β1.

Per la presenza della fase β1 queste leghe sono più difficili da lavorare

degli ottoni precedentemente descritti, infatti a temperatura di circa

460°C la fase β1 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:

Rame e le leghe di rame

83

Sigla R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Nome comm.

Comp Nomi

Stato MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Ottoni α+β

C28000 muntz60Cu-

40Zn Ric. 370 145 45 f80 dur 485 345 10 75

C36000 Free-

cutting

61,5C

u-

35,5Z

n-3Pb

Ric. 340 125 53 f68 dur 400 310 25 78

C37700 forgiato

60Cu-

38Zn-

2Pb

Ric. 360 140 45 f78 dur 475 340 22 73

C38500 architet

tonico

57Cu-

40Zn-

3Pb

Ric. 415 140 30 b65 dur - - - -

C46400 navale

60Cu-

39,2

Zn-

0,8Sn

Ric. 400 186 45 b56 dur 552 393 20 85

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.

Rame e le leghe di rame

84

4.8.1 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 Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Comp Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Bronzi allo stagno (fosforosi)

C50500 98,7Cu-1,3Sn Ric. 276 76 47 - duro 421 414 5 b67

C51000 94,8Cu-5Sn-

0,2P Ric. 340 140 58 b28 Duro 560 515 10 b87

C51100 95,6Cu-4,2Sn-

0,2P Ric. 330 130 47 f73 Duro 550 530 7 b86

C52100 92Cu-8Sn Ric. 400 - 65 f80 duro 640 495 10 b93

C52400 90Cu-10Sn Ric. 455 - 68 b55 duro 690 - 13 b97

C54400 88Cu-aPb-

4Sn-4Zn Ric. 330 - 47 f73 duro 550 510 7 b86

C93800 78Cu-7Sn-

15Pb fuso 205 110 18 b55

C94300 70Cu-5Sn-

25Pb fuso 185 10 10 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.

Rame e le leghe di rame

85

Viene aggiunto anche del piombo al fine di migliorare la lavorabilità e la

resistenza all’ usura.

4.8.2 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 Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Comp Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Bronzi al silicio

C65100 98,5Cu-

1,5Si ric 275 105 50 f55 Duro 485 380 12 b80

C65500 97Cu-

3Si ric 400 150 60 b60 duro 635 380 22 b90

4.8.3 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 1870.

Rame e le leghe di rame

86

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.

Rame e le leghe di rame

87

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 γ2.

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 565

Rame e le leghe di rame

88

˚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 γ2 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.

4.8.4 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.

Rame e le leghe di rame

89

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

Rame e le leghe di rame

90

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 (525-575 ˚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 300-350˚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:

Rame e le leghe di rame

91

Sigla Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Comp Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Bronzi al berillio

C17000

98Cu-

1,7Be-

0,3Co

ricotto 470 280 48 b98 duro 1310 1150 2 c39

C82500

97,2Cu-

2Be-

0,5Co-

0,25Si

Fuso 515 275 15 b81

C82600

97Cu-

2,4Be-

0,5Co

fuso 550 345 10 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 rame-

berillio 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.

4.8.5 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-

Rame e le leghe di rame

92

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 Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Comp Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

Cupronichel

C70600 90Cu-

10Ni ricotto 358 98 35 b27 duro 518 500 5 b80

C71000 80Cu-

20Ni ricotto 358 98 35 b27 duro 518 500 5 b80

C71500 70Cu-

30Ni ricotto 380 125 36 b40 duro 560 520 3 -

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.

Rame e le leghe di rame

93

4.8.6 Metalli Bianchi I metalli bianchi appartengono al gruppo delle leghe ternarie rame-

nichel-zinco chiamate in Italia alpacche e packfong e all’estero con

diverse denominazioni. L’aggiunta del nichel alle leghe binarie rame-

zinco 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 Stato R Rs A HR Stato R Rs A HR

UNS

Comp Nomi MPa MPa [%] [f/b] MPa MPa [%] [f/b]

C78200

65Cu-

25Zn-

8Ni-

ricotto 365 160 40 f78 duro 585 505 4 b87

C74500

65Cu-

25Zn-

10Ni

ricotto 365 140 43 b35 duro 590 515 4 b89

C75700

65Cu-

23Zn-

12Ni

ricotto 385 145 42 b37 duro 585 515 4 b89

C75400

65Cu-

20Zn-

15Ni

ricotto 395 145 40 f79 duro 585 515 3 b87

C72200

65Cu-

17Zn-

18Ni

ricotto 400 170 40 b40 duro 585 510 3 b87

C77000

55Cu-

27Zn-

18Ni

ricotto 415 185 40 b55 duro 690 585 3 b91

Rame e le leghe di rame

94

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.

Rame e le leghe di rame

95

4.8.7 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.

Titanio e le leghe di titanio

96

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 Ar3d24s2

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

Titanio e le leghe di titanio

97

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.

Titanio e le leghe di titanio

98

5.2.1 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 (TiCl4), che è volatile e può così

essere separato da ogni impurezza.In seguito il TiCl4 viene riscaldato

con O2 a 1200 °C; si forma TiO2 puro e Cl2, che viene riutilizzato:

COTiClCClTiO 222 422 +→++

Successivamente, questo viene ridotto in fase liquida mediante

magnesio metallico in presenza di un’ atmosfera inerte, secondo la

seguente relazione:

TiMgClCTiClMg +→++ 24 222

Si ottiene cosi un prodotto commerciale poroso, detta spugna di titanio,

che deve essere successivamente addensato mediante rifusione all’arco

in un forno elettrico.

5.2.2 Processo al Solfato

In questo caso l’elemento che far marciare il processo è l’ ilmenite

FeTiO3, che viene digerita con acido solforico concentrato: si formano

così solfato ferroso, solfato ferrico (rispettivamente FeSO4 e Fe2(SO4)3) e

solfato di titanile TiO · SO4. La massa è lisciviata con acqua e ogni

materiale viene rimosso.……………………………………………………………

Lo ione ferrico (Fe3+) in soluzione viene ridotto a ferroso (Fe2+), usando

limatura di ferro, e quindi FeSO4 viene cristallizzato per evaporazione

sotto vuoto e raffreddamento. La soluzione di TiOSO4 viene idrolizzata

mediante ebollizione e la soluzione viene seminata con cristalli di rutilo.

Titanio e le leghe di titanio

99

5.2.3 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 K2[TiF6], 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 αβ → 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

βα → . 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 βα → 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

Titanio e le leghe di titanio

100

sola fase β, in relazione ai tenori relativi degli elementi di lega α-

stabilizzanti o β-stabilizzanti presenti e al trattamento termico.

5.3.1 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 - 540°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.

Titanio e le leghe di titanio

101

Sigla R Rs A HR Trans. Forg. Distenzione Ricottura

[MPa] [MPa] [%] b/c [°C] [°C] [°C] [h] [°C] [h] mezzo

Leghe α

Ti-5Al-

2,5Sn 825 790 10 c36 1040 1030

540-

650

¼-

4

720-

840

1/6-

4 aria

Ti-4Al-

2,5Sn 685 620 10 c33 1040 1030 - - - - -

Ti-8Al-

2,5Nb 790 755 10 c37 1030 1030

595-

705

¼-

1

790-

900 1-8 aria

Ti-7Al-

12Zr 890 825 10 - 995 1030

595-

705

¼-

1

855-

900 ½-4 aria

5.3.2 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

Titanio e le leghe di titanio

102

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 alfa-

beta 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,

Titanio e le leghe di titanio

103

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-

8Mn 825 755 10 c35 800 -

480-

595 ¼

650-

760

1/2-

1

Forno+

aria

Ti-6Al-

aV 890 825 10 c36 995 1000

480-

650

1-

50

705-

840 1-8 Aria/forno

Ti-6Al-

6V-

2Sn

860 790 10 c32 960 970 480-

650 1-8

705-

830

3/4-

8 Aria/forno

Ti-7Al-

4Mo 995 925 10 c38 1005 815

480-

705 1-8

705-

790 - Aria/acqua

5.3.3 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/cm3) 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

Titanio e le leghe di titanio

104

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-

1Al 1440 1370 8 c35 630 815

540-

595

½-

2

650-

730 ½-2

Forno+

aria

Ti-13V-

11Cr-3Al 890 860 10 c32 720 1020

730-

800

¼-

1

730-

800

1/8-

1

Aria/

acqua

5.4 Tecnologie di lavorazione

5.4.1 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.

5.4.2 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

Titanio e le leghe di titanio

105

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.

5.4.3 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 600-700°C

poiché sono tollerate riduzioni dell’ordine del 30-40%.

Titanio e le leghe di titanio

106

5.4.4 Lavorazione con asportazione di truciolo

5.4.4-1 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.

5.4.4-2 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

Titanio e le leghe di titanio

107

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.

5.4.5 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.

5.4.6 Resistenza alla corrosione

Il titanio commercialmente puro presenta un’ ottima resistenza alla

corrosione anche a temperature elevate in numerosi ambienti, quali

Titanio e le leghe di titanio

108

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.

Zinco e le leghe di Zinco

109

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]3d104s2

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 110-150°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

Zinco e le leghe di Zinco

110

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.

6.2.1 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.

Zinco e le leghe di Zinco

111

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

Lam. caldo 135 65 38 Zinco commerciale Zn-0,08Pb Lam. freddo 175 40 -

Lam. caldo 145 52 43 Zinco commerciale

Zn-0,75Pb 0,065Cd Lam. freddo 154 40 -

Lam. caldo 160 50 47 Zinco commerciale

Zn-0,37Pb 0,35Cd Lam. freddo 175 45 -

Lam. caldo 190 20 61 Lega di zinco Zn-1Cu Lam. freddo 255 20 -

Zamak-2 Zn-4Al-3Cu-0,05Mg Getto in sabbia 140-210 - 70-100

Zamak-3 Zn-4Al-0,05Mg<0,15Cu Getto pressofuso 280 10 82

Getto pressofuso 330 7 91 Zamak-5 Zn-4Al-1Cu-0,05Mg Getto in sabbia 140-210 - 70-100

6.4 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.

Zinco e le leghe di Zinco

112

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+α1 , contenente il 5% di alluminio; la fase α1

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+α1 .

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%.

Zinco e le leghe di Zinco

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6.5.1 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.

Zinco e le leghe di Zinco

114

6.6.1 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.

Zinco e le leghe di Zinco

115

6.6.2 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.

6.6.2-1Trattamenti 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

Zinco e le leghe di Zinco

116

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

Zinco e le leghe di Zinco

117

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.

Zinco e le leghe di Zinco

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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.

Indice figure

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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 carbo-

termico.

Figura 5 : schema di produzione del magnesio con processo silico-

termico.

Figura 6 : saldatura MIG

Figura 7 : diagramma di stato rame-alluminio

Figura 8 : diagramma di stato rame-berillio.