Elisabetta Gariboldi

MATERIALI

L’articolo riprende una delle relazioni tenute nelcorso della giornata dedicata alle leghe zama svol-tasi presso il Dipartimento di Meccanica del Poli-tecnico di Milano. Essa si è focalizzata sugli aspettimetallurgici e sulle correlazioni composizione-pro-cesso-microstruttura-proprietà, premesse fonda-mentali per l’individuazione delle ottimali com-binazioni materiale-tecnologia-geometria per spe-cifici componenti.

Cosa sono le leghe zama?Le leghe comunemente chiamate zama sono legheZn-Al-Ch-Mg (la designazione commerciale clas-sica zamak, tradotta in italiano con zama, è so-stanzialmente un acronimo in tedesco di questi e-lementi) utilizzate per la realizzazione di getti. Es-se rientrano dunque tra le leghe di zinco da fon-deria. Queste ultime sono presenti sul mercato conuna selva di designazioni, sia commerciali che stan-dardizzate (si vedano per esempio le normative eu-ropee e americane al riguardo, Uni EN 1774-99e Astm B86). I tipi principali di leghe di zinco dafonderia, che non differiscono sostanzialmente trauna normativa e l’altra, sono presentati in tabella1. Gli elementi di lega che sostanzialmente diffe-renziano una lega dall’altra sono Al e Cu. Il ma-gnesio, pur presente in modesta quantità, è con-siderato a tutti gli effetti elemento di lega in quan-to fondamentale per ottimizzare la resistenza a cor-rosione. Particolare attenzione va posta alla pre-senza degli elementi considerati impurezze, cheprovocherebbero decadimenti inaccettabili della

resistenza a corrosione o della tenacità se ecce-dessero i limiti indicati. Tra le citate leghe da fon-deria quelle note comunemente come zama (evi-denziate in azzurro nella tabella) sono caratteriz-zate da un tenore di Al tipico di 4%. Sono tutta-via considerate leghe zama anche quelle con Al fi-no all’8%. Le leghe zama sono caratterizzate datemperature di inizio solidificazione inferiori aquella dello stesso Zn e da intervalli di solidifica-zione molto contenuti (ad esempio Tm e ΔT di 387°C e 6 °C per la lega ZL3), il che consente di a-dottare tipicamente la pressocolata a camera cal-

Le leghe zama trovano

applicazione in molti settori,

sia industriali sia civili

e consumer. Ma quali sono

le caratteristiche

e le proprietà di questo

materiale utilizzato

per la realizzazione di getti?

Ecco qui di seguito alcuni

aspetti metallurgici

che determinano le qualità

della lega per specifiche

applicazioni

Proprietà delle leghe

zama

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da per la realizzazione dei getti in zama, a diffe-renza delle leghe di zinco che contengono mag-giori quantità di alluminio. Le aggiunte di ramemodificano un poco queste temperature di ini-zio solidificazione e gli intervalli di solidifica-zione (per esempio per la lega ZL2 ΔT si ampliaa 11 °C).

Come sono fatte ‘dentro’le leghe zama?La microstruttura tipica delle leghe zama (visi-bile in una micrografia scattata al microscopioottico nell’immagine introduttiva, e in figura 1al microscopio elettronico a scansione) è legataal meccanismo di solidificazione, che procedecon la formazione di una struttura dendritica o-mogenea di sola fase ricca di zinco, e che si com-pleta con la formazione della circostante strut-tura lamellare detta eutettica (bianca nell’im-magine introduttiva, grigia in quella di figura 1).Terminata la solidificazione il materiale ‘non ha

il tempo’ di far avvenire le modifichemicrostrutturali che lo farebbero per-venire alle condizioni di equilibrio eper semplicità si può pensare che la mi-crostruttura si ‘congeli’ a questo pun-to. Le modifiche rispetto alla struttu-ra di riferimento, quella di equilibrio,aumentano con la velocità di solidifi-cazione/raffreddamento locale. Conl’aumento di questa la struttura si af-fina, si riscontra una maggior quantitàdi eutettico e sono possibili variazio-ni delle composizioni chimiche delle

fasi presenti. Considerando che strutture più fi-ni migliorano le proprietà tensili (Rm Rp02) e ladurezza della lega, incrementandone contem-poraneamente tenacità e duttilità, si compren-dono i vantaggi apportati dai processi che con-sentono di raggiungerli (la pressocolata anzichéla colata in conchiglia o in sabbia). Altre strate-gie che consentono di ottenere e sfruttare la pre-senza di strutture fini sono la realizzazione di pa-reti a spessore sottile (possibile nei getti in zamagrazie all’elevata fluidità delle lega) e la realiz-zazione di geometrie che non richiedano l’a-sportazione dello strato superficiale dei getti, ca-ratterizzato da una ‘pelle’ molto fine (visibile nel-l’immagine introduttiva). Si comprende inoltreun aspetto importante per i getti: la scelta di unmateriale in vista di specifiche richieste in ter-mini di caratteristiche meccanico/fisiche nonpuò prescindere dalla geometria del particolaree dal processo adottato per la sua realizzazione.Ma che cosa cambia tra una lega e l’altra? Nelcampo delle leghe zama cambiano le quantità dieutettico, che aumenta con il tenore di rame edi alluminio.Trattando leghe da fonderia, è doveroso ricor-dare che i getti potranno contenere dei difetti,aventi diverse cause e corrispondenti morfolo-gie e grado di criticità. È intuitivo collegare laloro presenza a una riduzione di caratteristichemeccaniche. La presenza di difetti infatti facili-ta drasticamente la propagazione di cricche e ri-duce la duttilità della lega. La qualità finale diun getto destinato ad applicazioni strutturali di-pende quindi dalla quantità e dalla distribuzio-ne di difetti. Con moderni metodi di fusione, lapossibilità di simulare i processi di fonderia e lealtre strategie di processo messe in atto è possi-bile ovviare nel miglior modo a questi proble-mi, riducendoli ed orrimizzandone la distribu-zione, in particolare nelle zone maggiormentecritiche.

Proprietà delle leghe zama Dato il contenuto relativamente modesto di e-lementi di lega, si potrebbe pensare che le ca-ratteristiche delle leghe zama siano poco diffe-renti da quelle dello zinco. Ciò è vero solo peralcune proprietà fisiche, quali ad esempio la den-

Tabella 1. Composizione chimicadelle leghe di zinco da fonderia[figura adattata da Uni EN 1774-99]. Le leghe comunemente note come zamacorrispondono a quelle evidenziate. I loroprincipali elementi di lega sono riquadrati inblu, le impurezze in verde. Le frecce blu efucsia si riferiscono rispettivamente al tenoreAl e Cu e saranno utilizzate anche nellefigure seguenti per visualizzare gli effettidella composizione chimica.

1. Microstruttura tipica di getti in leghe zama osservata in microscopia elettronica a scansione (lega ZL5, getto di spessore 6 mm).

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sità (7.14*103 kg/m3) o il coefficiente di di-latazione termica lineare (circa 30*10-6 K-1). Le caratteristiche meccaniche e altre proprietàfisiche delle leghe zama dipendono invecefortemente da come è fatto ‘dentro’ un get-to. Facendo riferimento a quanto sopra di-scusso sull’effetto di parametri di processo,geometria e difetti è chiaro che le caratteri-stiche meccaniche non hanno valori diretta-mente associabili ad una lega ma piuttosto aun dato getto e altresì, in ogni parte di que-sto, esse possono essere soggette a variazio-ni. In letteratura tuttavia sono presentate lecaratteristiche ‘tipiche’ delle leghe da fonde-ria. Quelle meccaniche tipiche a 20 °C indi-cate dalla normativa americana sulle leghe dizinco da fonderia sono presentate in tabella2. Scorrendole si osserva che caratteristichequali Rm, Rp02, durezza e resistenza a faticamigliorano per le leghe con maggiori % di Ale Cu e con l’adozione di processi di fonderiache comportano elevate velocità di raffred-damento. D’altro canto altre caratteristichecome la duttilità, l’allungamento percentua-le a rottura, la resistenza all’impatto dimi-nuiscono all’aumentare del contenuto di al-luminio, ma sono influenzate positivamentedalla velocità di raffreddamento, concorde-mente a quanto discusso in precedenza. Una particolarità delle leghe zama rispetto ad

altre leghe per getti, quali leghe di alluminio omagnesio, che pur presentano aspetti micro-strutturali simili, è il fenomeno dell’invecchia-mento, che consiste nella lenta evoluzione del-la microstruttura inizialmente ‘congelata’ versole condizioni di equilibrio. L’evoluzione microstrutturale si ripercuote sulle caratteristiche mec-caniche: Rm si riduce progressivamente, rapida-mente nelle prime ore e poi sempre più lenta-mente, fino a raggiungere, nel giro di qualche set-timana, valori che si manterranno in seguito so-stanzialmente costanti. Sono questi ultimi valo-ri quelli generalmente reperibili in letteratura.Conseguenza dell’invecchiamento è anche unleggero assestamento dimensionale che, come glialtri fenomeni legati alle modificazioni a caricodella microstruttura, può essere accelerato me-diante il trattamento termico di stabilizzazioneche porta il materiale nelle condizioni finali distabilità. Un altro aspetto da non trascurare pen-sando alle caratteristiche meccaniche delle leghezama in vista della loro applicazione ai compo-nenti ingegneristici è la loro sensibilità alle va-riazioni di temperatura rispetto a quella am-biente. Uno dei maggiori problemi a bassa tem-peratura di molte leghe metalliche è la loro fra-gilità, che corrisponde ad un basso assorbimen-to di energia durante gli urti che causano la rot-tura dei provini nelle classiche prove di resi-lienza. Un confronto tra i valori di energia as-sorbita al variare della temperatura (curve ditransizione duttile - fragile) per le leghe di zin-co da fonderia ne indica la transizione verso com-portamento fragile in un intervallo di circa 20°C prossimo alla temperatura ambiente (figura2). Sebbene il campo di temperature in cui si col-loca la transizione sia influenzato dalla geome-tria dei provini utilizzati (minori criticità si at-tendono ad esempio per spessori sottili e strut-ture maggiormente affinate), è chiaro che il fe-nomeno non può essere trascurato nei getti. Èevidente altresì che tra le leghe di zinco da fon-deria quelle zama, con tenore di Al e Cu conte-nuti, riducono i rischi di rotture fragili. Nel valutare il comportamento delle leghe a tem-perature superiori a quella ambiente si devonoinvece considerare la progressiva riduzione del-le caratteristiche tensili (figura 3) e l’insorgeredi fenomeni di scorrimento viscoso (creep).

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Tabella 2. Quadro riassuntivo delletipiche caratteristiche meccaniche a

temperatura ambienteper le leghe di zinco da fonderia che mette inevidenza l’effetto della composizione chimica

e del processo di fonderia. [Adattato da Astm B86]

2. Effetto della temperatura di provasull’energia assorbita in prove di resilienza realizzate su campioni asezione quadrata di lato 6,35 mm nonintagliati. [Fonte dati: Asm Handbook]

Nelle leghe metalliche le temperature per lequali si manifestano questi fenomeni sonosostanzialmente ricollegabili alla temperatu-ra di fusione, che sappiamo essere partico-larmente bassa (inferiore ai 400 °C) nelle le-ghe zama. Una stima preventiva della tem-peratura effettivamente raggiungibile neicomponenti strutturali è opportuna anchequando questa non è molto superiore a quel-la ambiente. Ciò non solamente per il già ci-tato decadimento delle caratteristiche tensi-li, ma soprattutto per la possibilità che si ma-nifesti il creep. Esso può essere facilmente vi-sualizzato come la possibilità di un pezzo dideformarsi plasticamente nel tempo anchesotto una sollecitazione mantenuta costantee a livelli di sforzo modesti. L’accumulo dideformazione plastica e il raggiungimentodella rottura finale dei getti avvengono tan-to più rapidamente quanto maggiori sono ilivelli di sforzo e la temperatura. Mentre lozinco manifesta creep a sollecitazioni mode-ste già a temperatura ambiente, le leghe dizinco si comportano meglio, in particolare sele percentuali di alluminio e di rame au-mentano: le leghe possono dunque essere ap-plicate, con livelli di sforzo e/o tempi conte-nuti, a temperature dell’ordine dei 100 °C.Correlazioni tra tempo, sforzo e deforma-

zione plastica accumulata sonodisponibili in letteratura per al-cune classiche leghe e rappre-sentano un valido aiuto nel di-mensionamento dei getti sullabase delle durate attese o dellecondizioni operative previste.Presentando le caratteristichedelle leghe zama è doveroso ri-cordare due caratteristiche pe-culiari quali la buona capacità dismorzamento (damping) e leproprietà anti-sparkling, che lerendono idonee ad applicazioniparticolari (settore elettrico, mi-nerario…). Una delle preoccu-pazioni nei confronti dell’utiliz-zo di leghe di zinco è la mode-sta resistenza a corrosione di que-sto metallo, fenomeno che ma-croscopicamente si presenta conformazioni superficiali bianca-stre. La resistenza aumenta pas-

sando alle leghe di zinco, ponendo partico-lare attenzione a limitarne il tenore di im-purezze. È tuttavia possibile migliorare de-cisamente la resistenza a corrosione dei get-ti mediante rivestimenti superficiali che crea-no una barriera tra il materiale e l’ambienteche può risultare aggressivo. Tali rivesti-menti possono essere utilizzati anche per so-li fini estetici o per migliorare la resistenzaad usura del materiale. Data la specificità del-l’argomento, ad esso è stata dedicata una re-lazione nella giornata di studio e l’argomen-to non è stato approfondito nel presente ar-ticolo.

ConclusioniSono stati presentati alcuni aspetti metallur-gici che consentono di comprendere i fatto-ri microstrutturali, legati a leghe, geometriee processi, che determinano le proprietà deigetti in leghe zama. Ciò consentirà di far ri-ferimento anche a queste leghe nei processidi identficazione dei materiali idonei per u-na specifica applicazione.

E. Gariboldi - Politecnico di Milano,

Dipartimento di meccanica.

readerservice@fieramilanoeditore.it n.54

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3. Effetto della temperatura di prova sullaresistenza a trazione di getti in leghe di Zn da fonderia (diametro tratto utile6,35mm). [Fonte dati: Asm Handbook]

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