Metallurgia dei Metalli non Ferrosi

Solidificazione delle leghe metalliche

Nel panorama della produzione di materiali metallici il 75% riguarda acciai e ghise mentre il restante 25% rappresenta tutti quei materiali di cui andremo a parlare durante questo corso. Questi materiali in molti casi hanno delle proprietà maggiori rispetto agli acciai e sono utilizzati ad esempio per scopi importanti e molto complessi come i rotori di un motore a reazione o la fusoliera di un aereo.

Quando parliamo di un prodotto fatto da materiale metallico abbiamo due possibilità per quanto riguarda la solidificazione:

• Solidificare il metallo in una forma ben determinata, stampo, cera persa, con eventuale rettifica di angoli e smussi. In questo caso le ultime goccioline di liquido che andranno a solidificare sono di solito quelle nel cuore del pezzo. La solidificazione infatti solitamente parte dalle pareti degli stampi ed arriva fino al cuore del pezzo e sarà solidificazione per colata o getto dunque disomogenea. Questo processo si chiama e difficilmente ne posso controllare i tempi di solidificazione.
• Colata continua: un altro modo più diffuso ed ingegneristicamente più valido ma più costoso è quello della colata continua, ovvero un processo di solidificazione dinamico attraverso dei rulli di scorrimento. Durante il flusso del materiale liquido che scorre sui rulli guidiamo e comandiamo la solidificazione del metallo ad assumere forme da parallelepipedo, lamiera parallelepipedo molto sottile.

Comunque sia il processo di solidificazione esso si divide in due stadi, nucleazione e crescita. Questi due processi non potranno mai invertirsi ma potranno essere gestiti variandone le velocità, nucleazione veloce e crescita lenta o viceversa.

La nucleazione riguarda la formazione dei primi nuclei di solido a partire da tutto il metallo che è allo stato liquido: nel metallo da getto si formano i primi nuclei sempre vicino le pareti di contatto mentre nella colata continua abbiamo la solidificazione degli strati, quindi non una solidificazione puntiforme, del “parallelepipedo” esposti all’aria.

Come possiamo vedere la solidificazione è descrivibile attraverso un grafico temperatura tempo dove quest’ultimo di solito è in scala logaritmica.

Abbiamo diversi tratti discendenti e crescenti. Il tratto discendente, dove abbiamo pendenza negativa, è indice che stiamo raffreddando e più la pendenza è alta più stiamo raffreddando velocemente.

Sicuramente nel tratto A-B avremmo tutto liquido difatti la temperatura è maggiore della temperatura di fusione. La velocità di raffreddamento dipende dalla conducibilità termica del metallo, alluminio moderata, rame molto alta sarà dunque più pendente. Sicuramente però, indipendentemente dalla pendenza, ci sarà perdita di energia termica del metallo, infatti sarà dato modo agli atomi del metallo stesso di muoversi molto meno agevolmente.

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Nel punto B incontriamo la temperatura di solidificazione ma la curva nel tratto B-C ha ancora pendenza negativa e quindi la temperatura sta ancora calando e per di più con la stessa velocità del tratto A-B, la pendenza dei due tratti è circa la stessa, abbiamo quindi ancora tutto liquido.

Nel punto C si arresta ma il metallo è ancora liquido e siamo al di sotto della temperatura di fusione, il metallo dunque dovrebbe essere solido.

Da C-D siamo in un tratto crescente dove il metallo prende energia da sé stesso ovvero da quel metallo che è ancora liquido ma che dovrebbe essere solido che è al suo interno, succede quello che è chiamato sottoraffreddamento e questo fenomeno è visto come un’energia.

Il punto C e la sua profondità dipendono dalla pendenza del tratto A-B e dalla conducibilità termica, può essere anche sotto di 100° rispetto alla temperatura di fusione.

Il sottoraffreddamento è un fattore molto importante nel comportamento finale dei metalli infatti tanto più è consistente il tratto B-C-D tanto più avremo rimescolamento per moti vorticosi e tanto più la struttura si sarà uniformata. Il sottoraffreddamento però in molti casi che spiegheremo in seguito è da evitare attraverso il controllo in modo accurato della solidificazione.

Questo fenomeno infatti è una sorta di inerzia termica e più raffreddo veloce più inerzia, energia, ho.

Quindi la differenza tra il getto e la colata è proprio nella gestione del raffreddamento infatti nel getto non posso controllarlo come invece posso fare nella colata continua, riscaldando i rulli magari, ottenendo un tratto A-B meno pendente. Questo è un vantaggio molto importante soprattutto in prodotti piani come lamiere e cavi dove è bene controllare il sottoraffreddamento.

Nel punto D si formano i primi cristalli di solido e fino a che non arriviamo ad E abbiamo ancora del liquido all’interno del pezzo. Al punto E abbiamo invece che tutto il materiale è solido, il tempo E dipende dalla conducibilità termica e dagli spessori. Dal punto E in poi la pendenza è costante ma è sempre inferiore al tratto A-B iniziale poiché il raffreddamento allo stato solido è sempre meno veloce di quello allo stato liquido perché gli atomi oramai sono bloccati uno vicino all’altro e siccome nel grafico sono in scala logaritmica questa pendenza minore è molto più inconsistente in termini di tempo anche con una differenza di molte ore, A-B pochi secondi, E-F anche una giornata.

Quando non abbiamo il sottoraffreddamento vediamo nel grafico soltanto una curva di discesa dello stato liquido fino alla temperatura di fusione, poi iniziano i primi cristalli di solido fino ad arrivare a tutto il metallo solidificato.

Possiamo utilizzare nella fase di solidificazione degli inoculanti ovvero degli ossidi altofondenti cioè con temperature di fusione molto più alte del metallo che consideriamo così da non fondere durante la colata. Questi contribuiscono alla creazione di siti di nucleazione non facendo solidificare solo vicino alle pareti ma in modo più continuo ed uniforme.

Questo è vantaggioso in quasi tutti i materiali che vedremo eccetto per le superleghe.

Siti di nucleazione possono essere anche le impurezze nei metalli come l’alluminio nel ferro.

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Quando andiamo a vedere il fronte di solidificazione vediamo che esso si protende nella zona di liquido ed abbiamo a volte delle protuberanze ed altre volte anche delle dendriti, come nell’acqua che solidifica. Le dendriti crescono dalla parete di solidificazione verso il centro.

Abbiamo quindi una solidificazione abbastanza regolare ma non ordinata infatti abbiamo delle protuberanze laterali. Possono poi crearsi delle sacche di liquido, se si uniscono due protuberanze diverse, come vediamo nella figura sottostante nelle zone più scure. In queste zone ci sono solitamente gli elementi che aggiungono nella lega e ciò fa avere una grande disuniformità composizionale nella lega metallica solidificata.

Quasi sempre si parte da queste condizioni del getto e non sono accettabili; dovremmo quindi rendere omogenea la composizione chimica e se possibile il grano. In questo metallo infatti sui bordi di grano non devono esserci zone scure che farebbero sì che i grani fossero scollegati tra loro non avendo così nel pezzo le prerogative metalliche che mi aspetto, possiamo migliorare le caratteristiche dei pezzi attraverso trattamenti termici di omogenizzazione eseguiti quando la forma del pezzo è definitiva, ultimo passaggio prima della messa in vendita.

Possiamo vedere in questa immagine delle dendriti, sono la parte più scura e nella loro composizione abbiamo la maggior parte degli elementi in lega. La cosa più pericolosa però sono le parti ancora più scure, cioè delle microporosità intrappolate, sacche gassose difficilmente recuperabili con trattamenti termici. Queste sono un grosso handicap di continuità nella struttura metallica.

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Differenza tra i due diversi tipi di solidificazione

Vediamo ora la differenza tra i due diversi tipi di solidificazione. In alto abbiamo una lega da getto ed in basso una lega da colata continua.

Abbiamo innanzitutto una diversa morfologia infatti in alto vediamo una crescita veloce vicino le pareti per poi rallentare mano a mano che ci avviciniamo al centro. I grani poi nel cuore del pezzo sono meno allungati cioè la velocità di solidificazione si è abbassata quindi come avevamo detto la zona centrale del pezzo ha la velocità di solidificazione più lenta. La velocità dunque decresce dalla superficie al cuore e quindi anche dal punto di vista chimico avremo una diversa composizione dall’esterno all’interno, pochi elementi in lega in superficie e più al cuore.

Nella colata continua siccome ho un flusso ho anche una direzione della velocità di solidificazione, da sinistra a destra, nell’immagine con i grani più allungati questa velocità è più alta rispetto al caso dell’immagine in basso potrei dunque avere scaldato i rulli e questo mi ha portato ad avere una solidificazione più ordinata.

Nell’immagine in alto della colata continua gli elementi in lega saranno nella maggior parte nella zona centrale mentre nell’ultima immagine, con i rulli riscaldati, anche se non ho grani così uniformi dal punto vista della forma li avrò uniformi dal punto di vista della composizione.

Nel caso avessi degli affinanti non trovo traccia di allungamento di grani e la solidificazione avviene ovunque in modo uniforme ed anche in poco tempo.

L’unico handicap dei getti è il ritiro del metallo quindi si dovrà prevedere un sovrametallo liquido, materozza, che riempirà questo ritiro in modo da avere così un getto completo.

Se non mettiamo il sovrametallo la zona con il ritiro va tagliata e rifusa.

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Alluminio - Introduzione

Prima di parlare dell’alluminio, vediamo in chiave ingegneristica quelle che sono le principali caratteristiche che contraddistinguono i metalli:

• Resistenza a trazione. In ambito progettuale della resistenza a trazione è importante lo snervamento, è il limite massimo ammissibile di sollecitazione a cui posso sottoporre il materiale. Superato tale valore, il componente si deforma irreversibilmente e perde la sua funzionalità. In caso realizzativo di componenti il riferimento principale non è snervamento ma anzi la tensione di rottura, perché devo plasticizzare, lo devo deformare. Sapere lo snervamento in questo caso è utile ma non è abbastanza, in quanto non so a quale percentuale di deformazione si può arrivare. Ovviamente dalla curva di trazione possiamo distinguere anche se il materiale è più o meno rigido, in quanto se la sua curva è piuttosto alta e stretta è molto rigido, mentre se la curva si abbassa sull’asse delle X, quindi della deformazione, avremo sempre un materiale più flessibile, in quanto a parità di carico si avranno deformazioni distinte e maggiori nel secondo caso rispetto al primo.
• Resistenza a compressione. La resistenza a compressione ha un forte valore negli acciai da cemento armato precompresso. In ambito meccanico la resistenza a compressione spesso e volentieri non viene considerata, mentre è più contemplata in ambito civile ed edile. In ambito meccanico, si sviluppano anche casi di compressione, associati comunque a contesti complessi e non solo di compressione.
• Duttilità.
• Rigidezza. La rigidezza ha una sua valenza tecnologica, come nel caso delle molle, una molla con un preciso valore di rigidezza può essere applicato ad un caso, non esiste un valore migliore o peggiore di rigidezza, ma anzi questo è influenzato dall’applicazione che si necessita farne. Ad esempio, una molla dura è applicata nelle sospensioni della macchina per aumentare il comfort, mentre una molla meno rigida viene applicata all’interno di una penna.
• La fatica meccanica.
• Tenacità. Energia che il materiale è in grado di assorbire prima della rottura, che è pari all’area sottesa dalla parte elastico e plastica.
• Resilienza. Energia che il materiale è in grado di assorbire prima dello snervamento, che è pari all’area sottesa dalla parte elastica.
• Resistenza all’usura.
• Corrosione e tenso-corrosione. La tenso-corrosione presuppone fenomeni corrosivi associati alla fatica meccanica e quindi ciclici nel tempo.

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Creep

Il creep è il fenomeno che determina un aumento della deformazione nel tempo di un preciso corpo sottoposto ad un carico compreso tra il 30 e il 50 della tensione di snervamento e a una temperatura compresa tra il 30 e 50 % della T di fusione.

I valori di tensioni vengono ridotti a questa temperatura in quanto ad alta temperatura il degrado è elevato e pertanto la vita del componente sarebbe ridotta.

L’obiettivo del corso non è conoscere la metallurgia a livello didattico, ma anzi in ottica ingegneristica e pratico.

Per ogni lega o materiale sarà fondamentale conoscere le caratteristiche, le applicazioni e i vari metodi disponibili per migliorarne le proprietà.

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Leghe di alluminio

L’alluminio si ricava da un solo minerale, la Bauxite. Tale minerale, scoperto in Francia nell’800 è oggi estratto in tutta l’Asia, eccetto la Mongolia, in Sud America, Brasile e Suriname, e in Australia.

La zona in cui è più facilmente accessibile è la Mongolia, ma soprattutto in Australia in quanto risiede a 10-15 m di profondità nel deserto. Molto meno accessibile in Brasile perché vicino alla Amazonia. La fruibilità in Brasile è molto bassa rispetto all’Australia, che produce il 75% di Bauxite nel mondo.

Il minerale, di colore rossastro, ha una concentrazione all’interno di Bauxite pari al 90% spesso e volentieri ed esattamente per questo non sono necessari al mondo altre tipologie di minerali per la creazione dell’alluminio.

L’Australia esporta la bauxite per il 75% del fabbisogno mondiale, ma la vende in modo univoco all’Inghilterra seguendo i patti della Commonwealth, per cui gli UK vincolano le sue ex colonie con rapporti commerciali unici. Tale operazione rende di fatto il Regno Unito il detentore del mercato dell’alluminio. Il prezzo dell’alluminio infatti viene quotato ogni giorno dalla LME, London Metal Exchange.

In Italia, sono presenti delle cave di Bauxite in Sardegna, ad Iglesias, anche se oggi la filiera è completamente interrotta.

La produzione primaria dell’alluminio

La produzione primaria dell’alluminio avviene in due stadi, il primo parte dalla bauxite, che viene frantumato (1), poi questi “semi” di bauxite vengono messi in dei polmoni di decantaggio (2), in cui la parte inerte nel minerale viene eliminato mantenendo solo la bauxite. Il materiale inerte CaCO₃, essendo poroso va a galla e viene facilmente eliminato.

Con pompaggio dal basso la roccia liquefatta ricca di Bauxite al 99%, viene fatta filtrare e legata al NaOH, creando i fanghi rossi.

Si lega all’ NaOH, per farlo diventare stabile, altrimenti si legherebbe all’ossigeno e per scindere l’ossigeno è più costoso.

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Lo step successivo prevede il riscaldamento a 1100°C per eliminare tutti gli ossidi rimanenti, ovviamente in modo controllato all’interno di un polmone. Gli ossidi precipitano mentre CaO va a galla. Rimane nella fase centrale Al₂O₃, allumina. Termina qui il primo stadio, definito con il processo di Bayer.

Pochi anni dopo, contemporaneamente, in Francia e America, Hall e Heroult, creano due celle elettrolitiche per scindere l’ossigeno dall’alluminio ottenendo alluminio metallico.

3C + 2Al₂O₃ → 3CO₂ + 4Al

Determinando la seconda fase.

Vediamo quindi a livello energetico cosa comporta la creazione di alluminio:

Bilancio: α-Al₂O₃

Per ogni 4 tonnellate di Bauxite si ottengono 2 tonnellate e da questo, 1 tonnellata di alluminio, rapporto complessivo di 4:1!

In termini energetici: 13-15 kWh per ogni kg prodotto, pari ad un costo di circa 5 volte quello per un comune acciaio per uso generale.

Quindi ogni macchina produce 2.5 tonnellate l’ora di alluminio, con un consumo di 15 kWh, 5 abitazioni, per ogni kilo prodotto, quindi 5000 abitazioni è pari al consumo di produzione di 1 ton di alluminio.

Quindi, 2.500 kg * 15 kWh sono 37500 kWh ovvero 12.500 case per produrre 2.5 ton di alluminio.

All’interno di uno stabilimento normale ci sono 120 macchinari, allora avremo 37000 kWh * 120 che mi dà 4.500.000 kWh ovvero 1.500.000 di case e almeno 3 milioni di persone.

Esattamente per quanto detto la filiera di produzione di alluminio è stata interrotta in Italia, in quanto non era conveniente. La produzione di Alluminio la si fa dove effettivamente il costo dell’energia è basso, in paesi dove si sfrutta energia nucleare, come Francia, Giappone o America ma anche in Inghilterra in cui si produce energia dalla combustione di carbone.

Impianto di produzione di alluminio di Sebree nel Kentucky, USA, Century Aluminum, USA, 2013.

In Italia l’energia ha un costo molto elevata perché vien