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Alluminio e sue leghe

Alluminio

• L’alluminio come metallo fu scoperto nel 1827 da H.C. Ørsted

• La sua produzione industriale iniziò però con l’impianto di elettrolisi da sali fusi di Hall-Héroult del 1886

• È pertanto un metallo relativamente giovane

H.C. Ørsted 1777-1851

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Produzione dell’alluminio

Proprietà dell’alluminio puro

• Basso peso specifico (2,7 g/cm3)

• Elevata conducibilità elettrica

• Buona resistenza alla corrosione

• Facilmente lavorabile:

– A caldo

– A freddo

– Alle macchine utensili

• Scarse caratteristiche meccaniche

• L’elevata duttilità dell’alluminio ne rende possibile l’aumento di caratteristiche meccaniche per incrudimento

• Queste caratteristiche vengono progressivamente perse al crescere della temperatura

Cubico a facce centrate

Cubico a corpo centrato

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+ bassa temperatura di fusione che consente l’impiego di forme metalliche con conseguente alta precisione dimensionale

+ facile lavorabilità alle macchine utensili

+ basso potere radiante, elevata riflettività: La possibilità di ottenere superfici molto lisce e brillanti rende l’Al pregevole dal punto di vista estetico. Utilizzabile nelle applicazioni che richiedono una buona finitura superficiale

- elevata contrazione volumetrica in fase di solidificazione

- facilità di reazione con l’ossigeno e con l’umidità dell’aria

- anisotropia della struttura macro e microcristallina

Vantaggi e Svantaggi

3H20 + 2Al = 3H2 + Al2O3

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Impieghi dell’alluminio puro

Caratteristiche Esempi di applicazioni

Resistenza alla corrosione atmosferica Serramenti e pannelli di rivestimento di edifici

Compatibilità con i prodotti alimentari Lattine per bevande e utensilerie da cucina

Duttilità, malleabilità, lavorabilità Profilati di forma complessa, pezzi profondamente stampati e imbutiti

Riflettività Applicazioni fotografiche

Conducibilità termica ed elettrica Linee di trasmissioni elettriche, costruzione elettriche di basso peso

Proprietà antiscintilla e non omogeneità Schermature elettriche

saldabilità Componenti saldati

Esempi di impiego alluminio

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Leghe di alluminio

• L’alligazione dell’alluminio ne provoca una diminuzione della conducibilità elettrica e della resistenza alla corrosione, ma aumenta le caratteristiche meccaniche

Caratteristiche meccaniche delle leghe di Alluminio

• La maggior parte dell’Al è impiegato sotto forma di LEGA

• Le caratteristiche meccaniche (a parità di trattamento termico) sono influenzate fortemente da:

– grado di purezza

– contenuto di elementi leganti da cui dipendono:

• Durezza

• allungamento percentuale a rottura

• carico di rottura a trazione

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Principali elementi leganti dell’alluminio

• Manganese

• Magnesio

• Rame

• Nichel

• Silicio

• Zinco

Ogni alligante aggiunge particolari proprietà all’alluminio; i principali elementi addizionati per le applicazioni di fonderia sono:

Silicio: è il più importante elemento di lega per la fonderia perché migliora la colabilità e riduce il coefficiente di dilatazione; diminuisce peso specifico, Kterm e contrazione volumetrica, elimina fragilità a caldo

Magnesio: aumenta la resistenza alla corrosione e in ambiente alcalino; diminuisce peso specifico, kel e kterm; aumenta coef. di dilatazione termica

Manganese: aumenta la resistenza meccanica e alla corrosione; aumenta coef di dilatazione termica

Rame: accresce la resistenza meccanica, soprattutto a caldo; aumenta peso specifico; diminuisce coef. di dilatazione termica, kel e kterm; peggiora resistenza alla corrosione

Zinco: soprattutto se associato al magnesio, conferisce una elevata resistenza meccanica, pessima resistenza alla corrosione

Nichel: aumenta le caratteristiche meccaniche, diminuisce coef. di dilatazione termica, peggiora resistenza alla corrosione

Gli elementi di lega

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Nomenclatura UNI delle leghe di alluminio

• Il raggruppamento delle leghe dell’alluminio viene fatto per tipo secondo l’elemento predominante (es. Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Mn,…)

• Le sigle si formano facendo seguire ad un lettera che indica: – P: leghe da lavorazione plastica

– G: leghe da fonderia primaria

– SG: leghe da fonderia secondaria

– GD: leghe da pressofusione

• Il simbolo dell’elemento (o una lettera convenzionale) e la percentuale media dell’elemento preponderante

• Es: P-Al Cu … o P-AC (lega alluminio/rame da deformazione plastica con … % di rame.

• Se la lega è unificata non occorrono altri simboli, se esiste possibilità di incertezza va indicato anche un altro simbolo

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Sistema di designazione unificata delle leghe di alluminio

• L’alluminio e le sue leghe sono contraddistinti in base alla loro composizione chimica, con numeri di 4 cifre:

• 1 cifra: famiglia di appartenenza

• 2 cifra: eventuali varianti alla composizione di base

• 3 e 4 cifra: contraddistinguono la composizione di leghe originali

Leghe di alluminio

Leghe da trattamento termico

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Leghe di alluminio

1000 Alluminio nei vari titoli di purezza commerciale (per questa sola famiglia la 2a, 3a e 4a cifra contraddistinguono il titolo di purezza).

Es. 1100 99.0%, 1050 99.5% 1070 99.7 %)

2000 Leghe Al-Cu

3000 Leghe Al-Mn

4000 Leghe Al-Si

5000 Leghe Al-Mg

6000 Leghe Al-Mg-Si

7000 Leghe Zn

8000 Leghe con altri elementi

9000 Serie non usuale

Stato di fornitura• Lo stato di fornitura segue, sia per le leghe da

deformazione plastica che per getti, la designazione chimica, separata da un trattino

• Consiste in una lettera indicante lo stato metallurgico, seguita (con la sola eccezione del materiale allo stato grezzo o ricotto) da una o più cifre

• F: grezzo di laminazione. Definisce il materiale uscente dal ciclo di produzione, le proprietà meccaniche non vengono garantite

• O: ricotto, cristallizzato. Definisce la qualità più dolce dei prodotti semilavorati

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• H: Incrudito. Definisce i materiali le cui proprietà meccaniche sono state aumentate per deformazione plastica a freddo. È sempre seguita da due o più cifre– H1 leghe incrudite: la cifra successiva ad 1 indica il

grado di deformazione plastica a freddo• 9 extra-incrudimento

• 8 massimo incrudimento

• 6 tre quarti di incrudimento

• 4 semi-incrudimento

• 2 un quarto di incrudimento

– Spesso è aggiunta un’altra cifra per indicare il grado di controllo della lavorazione o per identificare una combinazione di altre proprietà

– H2 leghe incrudite e parzialmente ricotte. Si applica ai materiali di massimo incrudimento, portati poi al livello voluto di proprietà meccaniche con un trattamento termico di parziale ricristallizzazione. Il grado residuo di incrudimento è indicato con la stessa cifra da 1 a 9 vista prima

– H3 incrudite e stabilizzate. Si applica solo alle leghe Al-Mg deformate e successivamente riscaldate a bassa T per stabilizzare le proprietà. Il grado di incrudimento dopo la stabilizzazione è indicato con una o più cifre.

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• W: temprato e invecchiato naturalmente. Si applica alle leghe che invecchiano a T ambiente, dopo tempra di solubilizzazione. Viene completata con il periodo di invecchiamento Es. 2024-W(1h)

• T: trattato termicamente. Si applica ai materiali trattati termicamente, incruditi o meno. È seguita da una cifra che va da 1 a 10 ed eventualmente da altre cifre riferite a variazioni introdotte nelle condizioni di trattamento

Riassunto delle sigle degli stati metallurgici delle leghe di alluminio

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1xxx: Serie 1000

• Al industrialmente puro (almeno 99%)

• Caratterizzate da:

– eccellente resistenza alla corrosione

– conducibilità termica ed eleNrica ↑

– buona lavorabilità

– caratteristiche meccaniche piuttosto basse

– possono essere aumentate tramite incrudimento

Principali applicazioni

1xxx: Serie 1000

• impianti chimici

• corpi riflettenti

• scambiatori di calore

• conduttori e condensatori elettrici

• applicazioni architettoniche e decorative

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2xxx: Serie 2000

• dopo trattamento termico sviluppano

caratteristiche meccaniche confrontabili con quelle degli acciai al C

• Il principale elemento di lega: Cu

• In alcune leghe sono aggiunte di Mg e Mn

• Sono leghe da trattamento termico

• richiedono un trattamento di solubilizzazione, tempra ed invecchiamento

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2xxx: Serie 2000

• Resistenza alla corrosione è meno elevata di

quella di altre leghe di Al

• Per applicazioni critiche richiedono opportuni

sistemi di protezione

• Utilizzo:

– 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

3xxx: Serie 3000

• Il principale elemento di lega: Mn

• Al crescere del Mn aumenta la resistenza meccanica e diminuisce la sensibilità alla corrosione intergranulare ed alla stress corrosion cracking

• L’eventuale presenza di composti intermetallici causa una diminuzione di duttilità

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Leghe Al –Mn

(e derivate Al-Mn-Mg, Al-Mn-Ni, ecc.)

– buona lavorabilità per deformazione plastica;

– in particolare la lega Al-Mn-Ni possiede buona lavorabilità ad alta T.

• Principali applicazioni:

– in edilizia

– per corpi delle lattine

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4xxx: Serie 4000

• Il principale elemento di lega: Si

• Caratterizzate da buona colabilità

Principali applicazioni:

• industria automobilistica

• trasporti in generale

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5xxx: Serie 5000

• Nome commerciale Peraluman

• Il principale elemento di lega: Mg

• Mg conferisce:

– doti particolari di resistenza alla corrosione

– buona resistenza a caldo

– ottime doti di duttilità e lavorabilità

– leggerezza

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5xxx: Serie 5000

• NON richiede trattamento termico di invecchiamento

• Presenta buona saldabilità per fusione

• Mg mostra una buona solubilità dell’Al (seconda solo allo Zn)

• è possibile ottenere un discreto effetto indurente mediante lavorazione a freddo, visto che il Mg permette di conservare un’ottima duttilità

5xxx: Serie 5000

• Il Mg fornisce:

– eccellente resistenza alla corrosione, anche

– in ambiente marino

– buona saldabilità

• caratteristiche sfruttate nella costruzione delle carrozzerie in Al

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6xxx: Serie 6000

• Nome commerciale Anticorodal

• I principali elementi di lega: Si e Mg;

• Sono leghe da trattamento termico;

• Dopo trattamento termico sviluppano

caratteristiche meccaniche intermedie,

maggiori delle leghe non trattabili termicamente ma inferiori a quelle delle leghe della serie 2000;

6xxx: Serie 6000

• Caratteristiche:

– Buona formabilità, lavorabilità, truciolabilita e

– saldabilità

• Utilizzate per

– applicazioni architettoniche

– telai motociclistici e ciclistici

– strutture saldate

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7xxx: Serie 7000

• Nome commerciale Ergal

• I principali elemento di lega: Zn

• Generalmente le leghe binarie Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite le leghe Al-Zn-Mg

• Si tratta di leghe da trattamento termico

• Queste leghe sviluppano le caratteristiche meccaniche più elevate tra le leghe di Al

• Lo Zn aumenta la resistenza e la durezza, favorisce l’autotemprabilità della lega, ma ne aumenta la sensibilità alla corrosione sotto sforzo, diminuibile con opportuni trattamenti stabilizzanti

7xxx: Serie 7000

• Caratterizzate da:

– buona lavorabilità alle macchine utensili

– scarsa saldabilità (nella > parte dei casi)

– scarsa saldabilità per fusione

• Utilizzate:

– per strutture aeronautiche e di mezzi di trasporto

– in generale per parti molto sollecitate

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8xxx: Serie 8000

• Sono leghe speciali e sperimentali

• Esempi:

– leghe antifrizione Al-Sn

– le nuove leghe per impieghi aeronautici (anche

automotive) Al-Li

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Principali leghe di alluminio

• Leghe per getti

• Leghe semilavorate

Leghe da fonderia

• Impiegate principalmente per:

– Getti in sabbia

– Getti in conchiglia

– Getti pressofusi (5-140MPa)

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Leghe da deformazione plastica

• È possibile ottenere elevate resistenze meccaniche per affinamento, omogeneizzazione del grano ed incrudimento per:

– Laminazione

– Forgiatura

– Estrusione

• Stadi di preparazione dei semilavorati:

– Colaggio del lingotto

– Lavorazione plastica a caldo (seguita eventualmente da una a freddo) del lingotto fino alla formatura del pezzo

– Trattamento termico

TRATTAMENTI TERMICI SULL’ALLUMINIO

Solubilizzazione: riscaldo ad una temperatura al di sopra della curva di solubilità allo scopo di ottenere una soluzione omogenea. La lega viene quindi lasciata a questa temperatura sino a quando si ottiene una soluzione solida omogenea

Tempra: raffreddamento molto rapido del metallo per immissione in un liquido refrigerante. Effettuando una tempra si può “congelare” la condizione del metallo caldo, con il soluto ben distribuito (soluzione sovrassatura).

Invecchiamento: la condizione instabile di soluzione soprassatura al termine della tempra tende a riportarsi in una condizione di equilibrio, ovvero con il soluto che si presenta in forma di agglomerati di diverse dimensioni. Il processo di invecchiamento è fatta appunto per permettere alle particelle “congelate” e ben disperse di unirsi e accrescere, processo detto di precipitazione.

Alluminio – RameAlluminio – Rame – MagnesioAlluminio – Magnesio – SilicioAlluminio – Zinco – MagnesioAlluminio – Zinco – Magnesio – Rame

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PROCESSI DI FONDERIA

Colata in terraPiccole serie, forme intricate, grandi dimensioni

Colate in stampi buona qualità superficiale e buone caratteristiche meccaniche

Colata per gravitàColata a bassa pressione

Pressocolata Squeeze formingVelocissimo riempimento dello stampoTotale riempimento della cavitàStruttura cristallina fineOttima qualità superficialeInclusioni gassose

Ottima finitura

Buona qualità superficialeMaterozzeRaffreddamento

PROCESSI DI FONDERIAColata continua: produttività maggiore, rapida solidificazione, critica velocità di avanzamento, solo per alluminio puro

Rulli modellatori gemelliRullo modellatore singolo

Cinture a piastre gemelle

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PROCESSI DI FONDERIA

Colata continua

Tecnica modellatoria a blocchi Produzione di vergelle

Solidificazione

Punti di nucleazione DENDRITI

GRANO

- grani piccoli ed equiassici conferiscono al materiale elevata resistenza e

deformabilità - strutture composte da grani colonnari sono da evitare in quanto non presentano

elevate caratteristiche meccaniche

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Effetto della temperatura

zona colonnare limitata

espansione della zona colonnare

Tre zone con strutture diverse:

- parte esterna (quella raffreddata):

grani fini ed equiassici

- seconda zona (verso l’interno): grani colonnari

- parte interna: grani equiassici di dimensioni maggiori

Effetto degli elementi di legacompito di ridurre la crescita dendritica

Sodio: rende planare il fronte di solidificazione andando ad occupare gli spazi lasciati dalle

dendriti. Viene utilizzato in concordanza di velocità di solidificazione elevate, come nella pressocolata, dove bene si adatta a riempire i vuoti lasciati dalla solidificazione. - formazione molti fumi- se aggiunto in forma di NaF o NaCl la reazione chimica che avviene produce prodotti

inquinanti- quando viene aggiunto parte evapora lasciando nella lega un quantitativo minore di

quello atteso

Stronzio: è praticamente utilizzato come sostituto del sodio, anche se deve essere usato in quantità molte maggiori rispetto al sodio per avere gli stessi effetti. - no fumi- aumento della quantità di idrogeno nella lega (porosità nella colata)- la crescita dei grani è cellulare, una via di mezzo tra a crescita dendritica e la crescita

planare (struttura definita “a buccia d’arancia”).

Antimonio: ha effetti tossici, tale elemento non viene utilizzato praticamente mai

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Altri metodi

- ridurre la temperatura di colata, in modo che le dendriti che inizialmente si formano

vengano rotte dal fluire del metallo nella forma: così facendo, i rami che si spezzano

creano nuovi punti di nucleazione e strutture più fini.

- trattamenti meccanici o termici che permettono la rifusione di braccia dendritiche

- ultrasuoni

- altri elementi come il titanio, il boro e lo zinco che introdotti nella lega prima della colata producono strutture con grani fini in quanto hanno l’effetto di costituire nuovi punti di nucleazione. Il maggior numero di nuclei di solidificazione argina la crescita dendritica limitando lo spazio di espansione per la presenza di molti nuclei, costituendo strutture con grani fini. Tuttavia l’utilizzo di questi elementi può alterare la proprietà di colabilità e le proprietà meccaniche della lega in questione.

PRINCIPALI DIFETTI DELLE LEGHE DI ALLUMINIOInclusioni di ossido

diminuzione nelle proprietà meccaniche del pezzo finale (tenacità)Porosità

discontinuità microstrutturale che influisce negativamente sulle proprietà meccaniche- da ritiro: notevole contrazione volumetrica nel processo di solidificazione

- di gas: sovrasaturazione che il metallo solidificato può avere nei confronti del gas precedentemente assorbito dalla fase liquida (idrogeno)

- Incompleta combustione dell’olio o del gas di alimentazione del forno- Utilizzo di materiali di seconda lavorazione- Eccessiva turbolenza del flusso favorisce l’intrappolamento dell’aria- Soffiatura dell’anima

Idrogeno altamente solubile nella fase liquida, difficilmente solubile nella fase soilida

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Cricche a caldo

Si possono generare quando il getto è nella fase di solidificazione compresa nell’intervallo

tra la linea di solidus e quella di liquidus

Sono dovute dalla contrazione volumetrica che il metallo subisce durante il raffreddamento; se la forma del getto è tale per cui venga ostacolata tale contrazione si generano delle tensioni che inducono i grani ad allontanarsi. Se la tensione è sufficientemente elevata il liquido perde la capacità di riempire le cavità originate, le quali si riempiono di aria.

Alterare geometria per ridurre concentrazione degli sforzi Corretta alimentazione per rendere la solidificazione del getto omogenea

TRATTAMENTO DEL BAGNO

Depurazione (o scorificazione): immissione nella lega liquida di polveri o pastiglie (flussi depuranti) che trasformano chimicamente l’impurità di ossido in masse leggere (scorie) affioranti sulla sua superficie e perciò facilmente asportabili.

Affinazione del grano: per diminuire la dimensione dei grani- Incremento della velocità di solidificazione (forme metalliche di elevata conducibilità

termica)- Iniezione nella lega liquida di particelle altofondenti (bacchette di lega Al-Ti-B) che

fungono da nuclei eterogenei

Degasaggio: azoto insufflato dal fondo del crogiolo attraverso una testa rotante; il movimento causato dalle bolle e dalla testa rotante risucchia il liquido mettendolo in intimo contatto con le bolle stesse, fa si che tutta la massa venga in contatto rapidamente e continuamente col flusso stesso, determinando una efficace riduzione del contenuto in idrogeno

Modifica: trasformazione indotta da alcuni elementi (Sodio, Stronzio) sulla morfologia dei cristalli del composto eutettico Al-Si (Si 11.7%) che, solidificando per ultimo (577 °C), si dispone ai bordi dei grani delle leghe Al-Si. Questi cristalli abbandonano la geometria grossolana e spigolosa divenendo fini e arrotondati con importanti ripercussioni sulla resistenza e soprattutto sull’allungamento a trazione dei getti.

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Lavorazioni meccaniche

• L’Al e le sue leghe sono caratterizzate da una

favorevole attitudine alle lavorazioni

meccaniche per asportazione di truciolo

• Hanno eccellente lavorabilità:

– Leghe da deformazione plastica della serie 2xxx

– Leghe da fonderia Al-si e Al-Si-Cu con Si< 10%

• Minore lavorabilità hanno:

– Alluminio commerciale

– Leghe da deformazione plastica della serie 3xxx e 5xxx

Saldatura delle leghe di alluminio

• L’alluminio e le sue leghe sono saldabili in diversa misura a seconda della composizione chimica e delle peculiarità fisico-meccaniche

• Problemi di saldatura:– Formazione di film di ossido Al2O3 con alto punto

di fusione

– Ritiro durante la solidificazione (cricche durante la saldatura)

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Metodi di saldatura applicabili• Saldatura a resistenza:

– Tutte le leghe di Al ad eccezione di alcune 2xxx e 7xxx e di qualche lega da fonderia

• Saldatura ad arco sotto gas inerte:– Serie 1xxx (Al commerciale)– 3xxx (Al-Mn)– 5xxx (Al-Mg)– 6xxx (Al-Mg-Si)– 7xxx senza Cu (Al-Zn-Mg)

• Giunzione per brasatura:– Indicato per serie 1xxx e le leghe 3003 e 3004– Sconsigliato per le leghe ad elevata resistenza es. 7075 (Al-Zn-

Mg-Cu) e 2024 (Al-Cu-Mg)

• Giunzione per attrito:– Friction Stir Welding

edilizia26%

trasporti33%

meccanica15%

imballaggio18%

altri8%

APPLICAZIONI DELL’ALLUMINIO

Edilizia: serramenti, facciate continue, infissi, porte, finestre, persiane, controfinestre, zanzariere, verande, ringhiere, recinzioni, cancelli, gronde, frangisole, tende da sole, tende veneziane, edilizia prefabbricata, termosifoni e scambiatori di calore, lamiere per controsoffittature, pannelli solari, ecc.

Elettronica: linee elettriche aeree di distribuzione

Settore domestico: pentolame, elettrodomestici, scale, cabine doccia, mobilio, apparecchiatura di illuminazione, componenti dell'arredamento, attrezzature per sport e tempo libero

Trasporti: costruzione di motori, pompe, pistoni, ruote, bielle, mozzi, valvole, cornici e finiture, paraurti, sponde da camion, furgonature, elementi di carrozzeria e radiatori e scambiatori di calore

Costruzioni meccaniche: macchine per stampa, macchine tessili, macchine per la lavorazione dei legno, macchine per ufficio e computers, strumentazione scientifica

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GHISALega Ferro-Carbonio, tenore C alto (da 2.14% a 4.5%)La produzione avviene generalmente per riduzione degli ossidi di ferro mediante combustione di carbonio a contatto degli stessi (altiforni)Contengono in genere anche silicio

In inglese cast (getto) iron (ferro) attitudine ad essere colate nella forma finaleno deformazione a caldo o a freddo

molto fluide allo stato liquidono pellicole superficialiritiro solidificazione e raffreddamento moderato

+ costo relativamente basso+ resistenza meccanica+ durezza+ facilmente lavorabili alle MU+ resistenza alla corrosione atmosferica+ costo basso- resilienza bassa- duttilità bassa- fragili

PRODUZIONE

Minerale di ferro, combustibile e fondente

Aria calda

Combustione del coke

Ghisa

Scoria (fondente+ganga)

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Tipi di ghise

Ghisa bianca: carburo di ferro (cementite) in matrice perliticaTenore di carbonio (max 3%) e di silicio (max 1.5%) relativamente basso con velocità di solidificazione altaSuperficie di frattura biancaEccellente resistenza all’usura e all’abrasioneMolto dure e fragiliDifficile da lavorare alle MULimitato impiego: dove ci sono problemi di usura (matrici per trafilatura, ugelli per estrusione, piani di lavoro MU, rulli per laminatoi)

Ghisa grigia: contenuto di carbonio (2.5-4%) superiore alla quantità che può essere disciolta nell’austenite e quindi precipita come lamelle di grafite (velocità di raffreddamento moderata matrice perlitica, bassa matrice ferritica)Sono le più ampiamente diffuseSuperficie di frattura grigiaEconomicaFacilmente colabile Scarsa lavorabilità alle MUDiscreta resistenza alla corrosione atmosferica e in ambienti poco aggressiviEccellente capacità di smorzamento delle vibrazioniNumerose applicazioni: basamenti per motori, tombini, griglie stradali, casse per turbine e pompe, tubazioni per acqua dolce

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Ghisa sferoidale: presenza di sferoidi di grafite circondati da ferrite in una matrice perlitica

Carbonio 3-4%, Silicio 1.8-2.8%, Zolfo max 0.03%, Fosforo max 0.1%Vengono ottenute aggiungendo alla ghisa grigia elementi come il Ce e il Mg che favoriscono la formazione durante la solidificazione di sferoidi di grafite, al posto delle lamelle che si formano nella ghisa grigia.buona duttilitàpossibilità di lavorazione alle macchine utensili resistenza all’usuracaratteristiche meccaniche paragonabili a quelle dell’acciaio

Ghisa malleabile: ottenute per trattamento termico di ghisa bianca (per trasformare carburi di ferro in grafite)Carbonio 2-2.6%, silicio 1.1-1.6%Riscaldamento in un forno di malleabilizzazione per trasformare carburi di ferro in grafite (sotto forma di aggregati nodulari irregolari) e ferroAmpiamente usati per costruzioni meccaniche, rotaie, alberi a gomito e a camme, ingranaggi, cingoli, catene Buona colabilità e lavorabilitàMedia resistenza meccanica, tenacità e resistenza alla corrosione

Trattamento termico:1- Ricottura di grafitizzazione: riscaldamento (940°C) sopra la temperatura eutettoidica,Mantenimento per 3-20 ore il carburo di ferro si trasforma in grafite ed austenite2- Raffreddamento: l’austenite si trasforma in

matrice ferritica (veloce fino a 740-760°C e poi piano 3-11°C/h)matrice perlitica (piano fino a 870°C e poi in aria)matrice martensitica (raffreddamento nel forno fino a 850°C, mantenimento per 15-30 minuti, tempra in olio, rinvenimento a 590-725°C )

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Esempi di componenti in ghisa

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Magnesio

• Il magnesio metallico è stato isolato da Davy

nel 1808

• Le leghe di magnesio furono introdotte in

Germania per la realizzazione di componenti

di aerei già nella I guerra mondiale, ma ebbe un impiego intensivo nella II guerra mondiale

• A partire dalla seconda metà nel ‘900 fu introdotto nel campo delle competizioni automobilistiche

• Attualmente è molto impiegato anche nel campo dell’elettronica

Sir Humphry Davy1778-1829

Magnesio e leghe di magnesio • Il magnesio e le sue leghe (chiamate leghe ultraleggere) sono

caratterizzate da proprietà di:– massima leggerezza tra i metalli di interesse industriale (ρ = 1.74 g/cm3)– Modulo elasticità 45 GPa, Rs = 100÷270 MPa– alto rapporto resistenza/peso e rigidità/peso– facilità di ottenimento di getti– capacità di smorzamento delle vibrazioni– resistenza all’urto e all’ammaccatura– buona saldabilità – economicità nella lavorazione all’utensile– abbondanza in natura– buona resistenza a corrosione delle leghe ad elevata purezza

• Di contro:– costo– scarsa resistenza alla corrosione in ambienti contenenti cloruri

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AUTOMOTIVE

Industria areonautica

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Tempo libero

A differenza dello zinco, che, in forma pura, è un metallo fragile e poco resistente, le leghe di zinco sono caratterizzate da elevata durezza e resistenza, ma anche da una buona duttilità e un’eccellente resa nelle applicazioni di pressofusione

+ ottima colabilità+ durezza paragonabile a quella di numerose ghise e ottoni - scarsa resistenza in temperatura- scarsa resistenza alla torsione

famiglia di leghe di zinco, i principali elementi delle quali sono l'alluminio, il magnesio, l' antimonio e il rame

Il nome è un acronimo della denominazione tedesca degli elementi di lega componenti: Z per Zink (zinco), A per Aluminium (alluminio), M per Magnesium (magnesio), A per Antimonium (antimonio) e K per Kupfer (rame)

ZAMAK (ZAMA, ZAMAC - 1929)

Il secondo elemento di lega è l'alluminio, che si trova in percentuali comprese fra lo 0,8 ed il 27% (agente indurente)

Ferro (max 0.03%), Piombo (max 0.0015%), Cadmio (max 0.0015%) e nichel sono presenti come impurità a tenore controllato e sono la principale causa di corrosione intergranulare per queste leghe.

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Si distinguono in particolare tre leghe di questo tipo:

ZAMA-12-LEGA ZA4C3: offre un’elevata durezza e resistenza alla trazione

ZAMA-13-LEGA ZA4: buona stabilità dimensionale, trascurabile diminuzione dellaresilienza nell’invecchiamento a temperature elevate, elevata resistenza all’urto e allacorrosione

ZAMA-15-LEGA ZA4C1: resistenza a trazione pari alla lega Zama 12 e una resistenza allacorrosione pari alla lega Zama 13 ed è particolarmente resistente all'urto

LEGA Alluminio Rame Magnesio Zinco 99,995%

Zama 12 3,9- 4,3 2,7-3,5 0,02-0,05 Il rimanente

Zama 13 3,9- 4,3 Max-0,03 0,03-0,04 Il rimanente

Zama 15 3,9- 4,3 1-1,25 0,03-0,04 Il rimanente

La presenza di Alluminio:+ aumenta la scorrevolezza del metallo nello stampo+ migliora le proprietà meccaniche di resistenza+ inibisce l'attacco elettrochimico al contatto con metalli ferrosi- induce fenomeni di invecchiamento e di corrosione intercristallina in presenza di impurezze quali stagno, piombo, cadmio in determinate condizioni ambientali

La presenza di Magnesio:+ aumento di durezza + affinamento del grano + miglior resistenza alla corrosione intercristallina

La presenza di Rame:+ aumenta la colabilità+ aumenta lievemente la durezza

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MATERIALE DENSITA'

[gr/cm3]

PUNTO di

FUSIONE

[°C]

CALORE

SPECIFICO

[cal/gr/°C]

COND.

TERM.

[cal/sec/cm/

°C]

COEFF.

DILATAZIONE

[1/K]

RESISTIVITA'

ELETTRICA A

20°C [Ωm]

RITIRO LINEARE DI

SOLIDIFICAZIONE

[%]

ZAMA 12 6,7 379°-

389°

0,105 0,25 2,77*10 -5 6,75*10-8 12,5

ZAMA 13 6,6 380°-

386°

0,098 0,27 2,74*10 -5 6,40*10-8 11,7

ZAMA 15 6,7 380°-

386°

0,102 0,26 2,74*10 -5 6,55*10-8 11,7

ALLUMINIO 2,7 660° 0,220 0,52 2,30*10 -5 2,62*10-8 16,5

ZINCO 7,1 419° 0,095 0,27 3,50*10 -5 6,05*10-8 10,4

STAGNO 7,3 232° 0,064 0,15 2,00*10 -5 11,50*10-8 7,8

FERRO 7,9 1528° 0,165 0,16 1,17*10 -5 10,00*10-8 15,8

L’alta fluidità e il basso punto di fusione delle leghe di zinco, consentono di ottenere pezzi con limiti di tolleranza minima e dalle forme molto complesse, non realizzabili con altre leghe.

Eccezionale durata degli stampi: la lega Zama è un materiale di durezza non elevatissima, alta stampabilità, bassa adesione con acciaio e ghisa

La temperatura (del getto di lega e dello stampo) è uno dei parametri critici durante il processo di pressocolata.Una temperatura eccessiva del getto può deteriorare le successive proprietà meccaniche del pezzo, in modo particolare la resilienza (cioè il getto si infragilisce)Anche uno stampo preriscaldato a temperature troppo elevate finisce con l’abbattere le proprietà meccaniche del prodotto finale, oltre ad aumentare sensibilmente il tasso d’usura dello stampo stesso.Invece, uno stampo preriscaldato ad una temperatura insufficiente può causare imperfezioni nella superficie del prodotto finito (si dice in questo caso che ha un aspetto “floreale”) che non altera in modo significativo le proprietà meccaniche in generale ma peggiora notevolmente la resistenza alla corrosione.

Temperatura di colata ottimale deve essere compresa tra i 395 ed i 410 °C, mentre lo stampo dovrebbe essere preriscaldato a temperature di 180-220 °C.

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Trattamento di finitura superficiale:

La pressocolata è un trattamento a finire, ovvero il pezzo che esce dagli stampi è quello

finito – salvo operazioni di rettifica o per pezzi di geometria più complessa, che vengono

prevalentemente effettuati mediante lavorazione alle macchine utensili.

Dopo la pressocolata è abitudine fare un trattamento di finitura superficiale, che ha due scopi:- protettivo: aumenta la resistenza alla corrosione- decorativo: fattori estetici

I principali procedimenti di finitura utilizzati per le leghe Zama sono i seguenti:- coloritura: scopo prevalentemente decorativo- rivestimenti galvanici: sulle leghe Zama è possibile applicare qualsiasi tipo di rivestimento

galvanico presente in commercio;- vernici, smalti e lacche: sia che vengano applicati a freddo che a caldo, oltre alla funzione

decorativa assicurano ottime proprietà di protezione della superficie.

Si deve tenere presente il basso punto di fusione delle leghe Zama, che impedisce l’applicazione di smalti di tipo vetroso (che richiedono temperature di cottura di circa 600 °C)

APPLICAZIONI

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ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI

connettori, antenne, fibre ottiche, potenziometri, supporti per hard-disk, dissipatori di calore, schermi per onde elettromagnetiche

ingranaggi

Connettori elettrici

Tastierino alfanumerico

AUTOMOTIVE

maniglie delle portiere, inserti pomelli per il cambio, griglie dei radiatori, specchietti retrovisivi esterni, cruscotti e parti di motore come pompe di benzina e carburatori

Struttura cambio manuale

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EDILIZIA

angolari per finestre e porte, nottolini per

serrature all’avanguardia, maniglie e

cerniere per docce