Appunti Metalli non ferrosi

Leghe leggere

1a. Produzione di alluminio

Materiale metallico più riciclato al mondo.

A parità di prestazioni, si valutano i costi di estrazione e di processo e anche i costi a fine vita (riciclabile? costi aggiuntivi sulla valutazione globale) per la scelta del metallo da utilizzare.

Metallurgia primaria: prevede l’estrazione di un unico possibile minerale (già il secondo possibile minerale ha un contenuto di Al 100 volte inferiore), la Bauxite (Baux è una località in Provenza, nella fase di estrazione di Al dalla Bauxite secondo metodi abrasivi, questo tendeva a fare delle scintille luminescenti).

Cave di Bauxite: giacimenti in Australia (quantità stimate di Bauxite maggiori), in Cina (maggiore esportatrice di Bauxite), in India, in Brasile, in Guinea, in Siberia.

Bauxite non presente in Nord America e in Europa, per questo si ricicla l’Al (Italia e Germania tra i primi).

Estrazione di Al dalla Bauxite: il processo prevede due stadi, il processo Bayer e il processo Hall-Héroult.

Bayer: processo termochimico (1100°C), si ottiene un composto utile per il secondo processo, l’allumina (per questo si può commercializzare in fusti di allumina), costi energetici modesti, anche a livello di attrezzature; arriva il minerale e viene macinato, la macinatura serve per avere una dimensione media del minerale piccola e calibrata (dimensioni minimo-massimo molto vicine, di qualche mm³, è quasi una polvere), poi viene caricato su dei rulli e alimentano due polmoni di decantazione, ovvero con la temperatura si tende a separare la componente acquosa della Bauxite, si ottiene un composto già vicino all’allumina ma ci sono ancora delle impurità (calce, pietra, calcio, silicio, fosforo) che vanno tolte prima di arrivare al secondo processo, per questo si utilizza NaOH che si lega alla Bauxite per ottenere dei semi di Al(OH)³ puro, ossigeno e sodio del NaOH si legano per ossidazione a Si, P, Fe, Ca, si formano ossidi più pesanti che vanno in precipitazione e quindi vengono eliminati, scaldando si toglie la componente OH e si forma Al²O³ (allumina).

Hall-Héroult: processo elettrolitico (che accelera il processo di estrazione), ha dei costi energetici enormi; catodo di carbonio e anodo dove si va a depositare l’alluminio, la cella elettrolitica a bagno fa con scariche elettriche separare la componente ossigeno di Al²O³ facendola legare al CO, si forma quindi CO², liberano Al (da due di allumina si ottengono 4 atomi di Al).

Bilancio: per 4 tonnellate di Bauxite che si immettono nel sistema di produzione se ne ottengono la metà di allumina, da cui se ne ottiene solo una di Al puro (efficienza del 25%); in termini energetici si spendono 13-15 kWh/kg.

Produttori (produzione primaria) di Al: quelle nazioni che hanno costi di energia basso, che hanno produzione di energia in casa e hanno possibilità di vendere energia (surplus), Stati Uniti, Cina, Giappone (queste utilizzano le centrali nucleari), Canada (alternative energetiche stabili, via idroelettrica), Norvegia (idroelettrica e petrolio, ma commercializza poco).

Riciclo (produzione secondaria): il problema principale è il fatto che ci si porta dietro qualche impurità, giusto compromesso tra affinazione chimica e fruibilità dell’Al da riciclo, tracce di Fe, Si, che provengono da elementi ospite durante la fase di affinazione dell’Al a fine vita; verniciatura, laccatura introducono oggetti polimerici, composti che portano qualche elemento con N, P, Si oppure Co (da pigmentazioni); frantumazione (per gestire le fasi successive), selezione dei rottami (con centrifughe, per via elettrica, per via magnetica), trattamenti termici (di pulizia dei rottami e rimozione delle pitture superficiali), eliminazione dei residui ferrosi (introdotti in precedenti fasi), agglomerazione dei pezzi di alluminio riciclato (omogenizzazione di tipo di lega, A, B), affinamento chimico dell’alluminio secondario (aggiunta di elementi per produrre il tipo di lega voluto, Zn, Mg).

Tipici elementi riconoscibili per via magnetica o elettrica: la tabella mostra la conducibilità elettrica in funzione della densità, si mette in centrifuga e si carica la griglia della centrifuga stessa, se si applica una debole corrente che permette di mantenere incollati al cestello gli elementi ad alta conducibilità specifica, si tratterrà Al (14.0) e Mg (12.9), separazione in fase liquida (si è già fatta la selezione preliminare), si ottiene un composto Al-Mg.

Fase di delaccaggio: fase più costosa (costa la metà del processo intero della produzione secondaria), si rimuovono composti organici, polimeri, ossidi.

Ciclo vita di una lattina: fino agli anni 30 non si riusciva a produrre, si realizzava la lattina per imbutitura e chiusura, la bibita all’interno della lattina sviluppa gas, è in pressione, la lattina non teneva, la Coca Cola cominciava a sfiatare, a perdere di pressione, l’idea era quella di portare la bibita in giro, all’inizio esistevano i distributori; si vende la bibita no la lattina, se torna è un grande vantaggio economico perché meno costa il contenitore più si ha margine di guadagno (assottigliamento della lattina, meno alluminio); negli anni 60 il sistema di apertura era con la linguetta che si apriva e poi si buttava via, ora rimane attaccata alla lattina; 3 leghe: corpo e base unica lega (imbutitura), la corona è un’altra lega (più resistente, deve tenere, è graffettata no saldata) e la linguetta è un’altra lega (più resistente, deve riuscire ad aprire e non si deve piegare facilmente, attaccata con un rivetto); riciclo al 100%, ciclo di vita di 60 giorni da quando viene prodotta.

1b. Designazione e trattamenti

Completa miscibilità: si attraversa una zona L + alfa ma il solido è costituito totalmente da alfa.

Parziale miscibilità: in “S” c’è alfa + beta.

Completa immiscibilità: Pb immiscibile in quasi tutti i materiali metallici (Fe, Ag, Al), con il Cu fa i bronzi a Pb.

Leghe Al-Cu: passando oltre al 70% si hanno leghe Cu-Al; è un diagramma di parziale miscibilità con presenza di eutettico (elemento che caratterizza il comportamento meccanico di questa lega).

Leghe Al-Mg²Si: lega ternaria, si fanno delle proiezioni in cui si mette come variabile direttamente il composto che si forma Mg²Si, è un diagramma di parziale miscibilità con eutettico.

Leghe Al-Zn: non ha eutettico (ha eutettico ma a 0.6, compete nello Zn), Al si miscela molto bene allo Zn.

Leghe Al-Mn: diagramma molto complesso perché si formano gli intermetallici, fasi secondarie a unica esatta composizione chimica.

Leghe Al-Si: diagramma a parziale miscibilità.

Leghe Al-Mg: il diagramma sembra speculare a circa il 50, c’è parziale miscibilità (nei trattamenti termici questa è un aspetto caratteristico della maggior parte delle leghe che si rafforzano con gli elementi che vengono aggiunti).

Leghe Al-Li: altro caso di parziale miscibilità.

Leghe Al-Fe: non si riconosce l’eutettico, presenza di intermetallici complessi, sistema che ammette una formazione aghiforme di composti ricchi di ferro che per loro natura (per discontinuità, sia per morfologia) sono indebolenti, infragiliscono le leghe di Al, va minimizzato il contenuto in Fe nelle leghe di Al.

Proprietà meccaniche dell’Al commercialmente puro (o disteso): resistenza meccanica a rottura di 40 MPa e resistenza meccanica a snervamento di 20 MPa (si prende di riferimento nella progettazione, perché superato questo valore si plasticizza e quindi si danneggia irreversibilmente il pezzo).

MPa: sezione quadrata di 1 cm² = 100 mm², barra sottoposta a trazione con una certa forza, 1 MPa = 1e+6 Pa = 1e+6 N / m² = 1e+6 N / 1e+6 mm² = 1 N/mm².

Incrudimento: si porta a deformazione il pezzo per rafforzarlo (per incrementarne la resistenza meccanica); lo snervamento si avvicina sempre più alla rottura e l’allungamento percentuale cala drasticamente aumentando l’entità dell’incrudimento; perciò, l’irrigidimento si vede nella pendenza e nell’avvicinamento tra snervamento e rottura nel diagramma sigma-epsilon; processo comune a tutte le leghe.

Duttilità: variazione percentuale del metallo quando sottoposto a carico di stress (trazione compressione flessione torsione), più è deformabile senza arrivare a rottura più è duttile; la bassa duttilità limita i campi di applicazione.

Tenacità: capacità di assorbire energia da parte del metallo (si può vedere dalla prova di trazione o dalla prova di Charpy ad impulso); la resilienza invece riguarda di più la curva sigma-epsilon (tempi estesi), tenacità riguarda più l’impatto di energia (tempi istantanei).

Alta resistenza meccanica non per forza quando si ha duttilità e tenacità (esempio della gomma).

Tenace e resistente allora è anche duttile.

Duttile e resistente è allora anche tenace.

Se nella lega di Al sono presenti Fe e Si questi danno una coppia risultante duttilità-tenacità molto ridotta; esistono tuttavia leghe Al-Si in certi contesti (il Si costa pochissimo), non si trovano mai leghe Al-Fe.

B: viene aggiunto in alcuni casi come affinante del grano.

Ca: forma l’intermetallico CaAl⁴ che rende superplastiche alcune leghe di Al, duttilità elevatissime, resistenza meccanica significativa e quindi tenacità di rilievo (il Ca costa poco).

C: da evitare perché produce corrosione puntiforme, Al apprezzato per la sua leggerezza (2.7 g/cm³ contro 7.8 g/cm³ dell’acciaio), per la sua resistenza a corrosione e in molti ambiti per la sua saldabilità e compatibilità organolettica (utilizzabili in ambienti alimentari); non forma nemmeno elementi rafforzanti è controproducente.

Fe: va evitato perché forma quelle particelle aghiformi che costituiscono una zona di discontinuità e l’effetto punta agli aghi determina una concentrazione di stress interno (caratteristiche di decoesione e infragilimento durante l’utilizzo).

Li: elemento estremamente importante in tutti quei casi in cui si vuole una leggerezza del componente combinata al rafforzamento per effetto del Li, ma costa terribilmente tanto (sia l’elemento che l’alligazione dei processi); si trova nei velivoli (dura 30 anni, si ha una capacità di guadagno in termini di utilizzo continuo di esercizio e duraturo) non nel campo automobilistico e ferroviario (non si potrebbero gestire i costi).

Ti: insieme al B forma gli elementi più efficaci dal punto di vista del contenimento e dimensione dei grani.

Zr: costa tanto, leghe di nicchia.

Classificazione (UNI 7426, americana): sigla (la prima americana, la seconda europea, la terza della Nazione in cui viene commercializzato), tipici trattamenti termici e risultati di snervamento, rottura, valori di duttilità e tenacità, forme prodotte (laminati, estrusi, profilati), tipici campi di applicazione.

• Sottocategoria A: leghe da fonderia, destinate a essere solidificate in uno stampo.
• Sottocategoria B: leghe da lavorazione plastica (oggetto semilavorato già deformato, laminati, estrusi, tubi pieni o cavi, trafilati).

Ulteriore suddivisione: leghe che possono essere trattate termicamente (caratterizzate da precipitazione delle seconde fasi, che sono indurenti) e leghe da incrudimento (per deformazione plastica, non possono essere trattate termicamente).

Lega trattata termicamente: si riesce, guardando il suo diagramma di stato, a eseguire un trattamento termico, a rafforzare la lega per effetto di una precipitazione di fase; risponde in modo significativo incrementando la resistenza meccanica a snervamento dopo il trattamento termico.

Leghe da deformazione plastica: designazione con 4 cifre.

• 1XXX: alluminio commercialmente puro 99.0%, il restante 1% di elementi in lega (raro).
• 2XXX: leghe con Cu (ci può essere anche Mg ma il Cu la caratterizza).
• 3XXX: leghe con Mn.
• 4XXX: leghe con Si.
• 5XXX: leghe con Mg.
• 6XXX: leghe con Mg-Si.
• 7XXX: leghe con Zn.
• 8XXX: leghe con altri elementi (Ca, Li).

Leghe da fonderia: designate con 3 cifre.

• 1XX: Al 99.0%.
• 2XX: Cu.
• 3XX: Si con Cu e/o Mg (a tre componenti).
• 4XX: Si.
• 5XX: Mg.
• 6XX: non più utilizzata.
• 7XX: Zn.
• 8XX: Sn, ottimo elemento non solubile in Al che serve per autolubrificare e facilitare lo stacco dallo stampo (ottimo per le leghe di pressofusione).
• 9XX: altri elementi (Ca, Ag).

Leghe da trattamento termico (mediante trattamenti di tempra T): 2XXX, 6XXX, 7XXX, alcune delle 8XXX (Li).

Leghe da fonderia: 2XX, 3XX, 7XX, alcune delle 9XX.

Tutte le altre leghe formano le seconde fasi ma non incrementano significativamente la resistenza meccanica a snervamento (esempio dell’Al-Mg, si forma Al²Mg² ma non rafforza; esempio Al-Mn, il Mn ha anche una solubilità molto bassa).

UNI EN (europea): 5 cifre - lettera che specifica lo stato di realizzazione per la fonderia (S sabbia, K conchiglia, D sotto pressione, L in cera persa, F grezzo di fonderia, O ricotto).

Designazione di specifici stati di trattamento (americana):

• F: grezzo di colata, nessuna specifica sull’incrudimento.
• H: incrudito (* indica lo stato di incrudimento, cioè il tasso di deformazione plastica applicata al materiale).
• O: ricotto (per recuperare il calo di tenacità nel momento in cui si ha incrudito).
• W: trattamento di solubilizzazione.
• T: trattamento termico (dopo F / O / W).

AA2000: il secondo numero quando è 0 è la prima lega a essere stata brevettata, se è 1 è una derivazione di quella lega con lo 0 (qualche accorgimento in più, migliori caratteristiche); la 2024 (venti ventiquattro, lega Al-Cu) ha il quadrato perché è un brevetto (attorno al 1930) in base alla quale sono state prodotte altre diverse leghe con derivazioni successive.

Leghe da incrudimento: 1XXX, 3XXX, 4XXX, 5XXX.

Lega 3003: da rinvenuta ha una resistenza meccanica pari a 110 MPa, incrudita (H18, uno otto) raggiunge circa il doppio a 200 MPa, è una lega da incrudimento.

Lega 1XX o 4XX o 5XX: non ce ne sono tante perché non si possono rafforzare con trattamento termico post fusione, non è possibile migliorare la risposta meccanica.

Diagramma di Ashby: consente di vedere dove si collocano le leghe di alluminio in confronto con altri materiali metallici, diagramma di resistenza meccanica (ordinata) e peso (ascissa); il range delle proprietà meccaniche delle leghe di Al va da 45 a 550 MPa.

1c. Trattamenti termici

Metodi di rafforzamento delle leghe di Al, ce ne sono di 10 tipi, i più importanti sono il T3, il T5, il T6, il T8.

T1: invecchiamento naturale, si lascia dopo un trattamento di solubilizzazione per settimane, si permette la fissazione microstrutturale nel tempo.

T3: si solubilizza, si dissolve tutto ciò che non è uniforme all’interno della lega di alluminio (si rende omogenea la chimica della lega, cioè degli elementi aggiunti), si incrudisce (deformazione plastica) ed invecchiamento naturale fino a condizione stabile (l’incrudimento accelera il fenomeno di invecchiamento naturale, si passa da 8 settimane a 4); lamiera stampata (stampo = incrudire, ancora prima che raggiunge la Tamb).

T4: dopo la solubilizzazione avviene direttamente l’invecchiamento fino a condizione stabile; lamiera (non stampata).

T5: raffreddamento ad alta temperatura di formatura (può essere un’estrusione, una trafilatura) e invecchiamento artificiale (si applica una certa temperatura al pezzo, di geometria ben determinata, accelerando i tempi di incremento di resistenza meccanica, da settimane si passa ad ore).

T6: bonifica delle leghe di alluminio, solubilizzazione, raffreddamento veloce e invecchiamento artificiale, analogo per gli acciai di austenitizzazione, raffreddamento veloce, rinvenimento.

T7: solubilizzato e stabilizzato.

T8: combinazione tra bonifica e incrudimento (per estrusione, stampaggio, trafilatura, laminazione), solubilizzazione, raffreddamento veloce in tempra, incrudimento (può essere fatto anche nell’ultima fase della solubilizzazione, quando ancora non è terminata o anche durante l’invecchiamento, a seconda dell’esigenza tecnologica) e invecchiamento artificiale.

Incrudito durante gli ultimi istanti della solubilizzazione: la solubilizzazione recupera una parte delle tensioni da incrudimento, si ha incremento resistenziale minore (poco più del T6); trafilato, cavo.

Incrudito dopo tempra: la resistenza meccanica è abbastanza alta ma il pezzo non è duttile, piccolo tasso di incrudimento (come il T6); piccole rettifiche o aggiustamenti, tipo piegamenti.

Incrudito durante l’invecchiamento: la temperatura (150°C) aiuta ad assorbire gli stati tensionali della deformazione, meno rispetto alla solubilizzazione, si ha un incremento resistenziale più alto rispetto al T6, situazione di maggiore incremento di resistenza meccanica finale; piccolo stampaggio, non profondo.

T9: solubilizzazione, invecchiamento artificiale deformato a freddo (si applica al semilavorato, ovvero che dovrà subire un processo successivo).

T10: raffreddamento da lavorazione ad alta temperatura (qualsiasi cosa), deformazione a freddo ed invecchiamento artificiale.

Omogeneizzazione: si esegue per temperature di 450-600°C, tempi di processo di 24-6 ore, con un delta T di 50°C si ha una riduzione di tempo del 1/3 (linearità); gli obiettivi sono la riduzione degli effetti provenienti da micro-segregazioni (quando si ha un materiale da getto si possono avere delle micro-segregazioni, che a volte possono essere semigassose, la omogeneizzazione le assorbe, processo importante per le leghe da getto; importanza minore per leghe da deformazione plastica), di dissolvere i bassofondenti (che si formano durante la solidificazione) che possono innescare criccature durante la lavorazione plastica successiva, di controllare che non ci siano elementi in eccesso di concentrazione in alcune zone (omogeneità chimica); l’effetto primario è la diffusione di elementi di lega da bordo di grano, ed altre zone di alta densità, verso l’interno del grano, distribuzione migliore dell’elemento ospite (esempio della lega Al-Cu); processo che viene fatto all’inizio.