Appunti Tecnologie e materiali aerospaziali

CLASSIFICAZIONE DELLE LEGHE DI MAGNESIO:

Le leghe di Mg si dividono in leghe da fonderia (+ usate) e da deformazione plastica. Non esiste una classificazione

internazionale per le leghe di Mg, ma quella definita dall’ASTM è la più diffusa: due lettere iniziali indicano i principali

elementi di lega, seguite dal contenuto in % dei rispettivi elementi. Un’eventuale lettera successiva indica variazioni

rispetto alla formulazione principale. La classificazione dei trattamenti termici è simile a quella delle leghe di Al.

LEGHE DA FONDERIA:

Alliganti:

 Manganese: in piccole quantità purifica il fuso da impurezze deleterie per la resistenza a corrosione;

 Zirconio e carbonio: agiscono come efficienti affinatori e consento di ottenere fusioni di alta resistenza;

 Berillio: piccole quantità si aggregano sulla superficie del fuso, riducendone la velocità di ossidazione;

Requisiti fondamentale di un alligante:

- Deve presentare solubilità sufficientemente elevata in Mg;

- Deve presentare solubilità in fase solida sufficientemente alta (è necessaria per avere rafforzamento della lega

per soluzione solida e per avere formazione di precipitati, coerenti o meno).

Controllo delle interazioni tra metodo di processo e composizione della lega:

 Purificazione del fuso: il controllo del tenore di elementi pesanti migliora la resistenza a corrosione del materiale;

 Reattività del fuso: gas protettivi vengono usati per prevenire l’ossidazione del metallo fuso. Inoltre, la presenza

di Al come alligante riduce la velocità di ossidazione;

 Colabilità: Leghe di Mg che coinvolgono la presenza di eutettico favoriscono la colabilità del fuso (basso punto di

fusione) ma presentano maggiore fragilità del materiale. La tecnica di colata più impiegata è la pressofusione;

Suddivisione delle leghe di Mg:

 Leghe Mg-Al: all’aumentare di Al (e di eutettico) si ha maggiore resistenza ma minore tenacità e deformabilità;

 Leghe Mg-Zr (zirconio): rispetto alle leghe Mg-Al, leghe Mg-Zr presentano inferiori caratteristiche meccaniche e

colabilità. L’aggiunta di Zr consente di ottenere leghe di alta resistenza e buona lavorabilità;

 Leghe speciali: leghe ultraleggere sono prodotte con aggiunta di Li e sono usate

prevalentemente come materiali da deformazione plastica grazie alla presenza della fase CCC (elevata duttilità).

 Leghe per alte temperature: ottenute con aggiunta di terre rare assicurano buona resistenza anche a

LEGHE DA DEFORMAZIONE PLASTICA:

Le leghe di Mg sono in generale poco deformabili a bassa T a causa della struttura cristallina esagonale compatta,

che possiede pochi sistemi di scorrimento. Le operazioni di deformazione plastica sono quindi condotte a T elevate

(> 300°C). Alcune operazioni finali di formatura possono essere condotte a freddo, ma a condizione di mantenere

limitata deformazione. Leghe con Th come alligante principale sono saldabili e vengono impiegate per applicazioni

ad alta T. Leghe Mg-Li presentano fase con struttura CCC che consente elevata deformazione plastica anche a freddo

e trovano impiego in applicazioni spaziali e protezioni balistiche.

CORROSIONE E PROTEZIONE DELLE LEGHE DI MAGNESIO:

A causa della corrosione galvanica, i componenti in Mg a contatto con altri metalli, sono protetti superficialmente.

Metodi di protezione:

 Anodizzazione con floruri: rimuove impurità superficiali determinando la formazione di un film protettivo;

 Trattamento chimico: immersione in soluzione di cromati che pulisce la superficie e forma un film protettivo;

 Anodizzazione elettrolitica: viene depositato un film superficiale di materiale molto duro e poroso. Questo viene

successivamente sigillato per immersione in soluzioni saline o impregnato con resine epossidiche.

 Deposizioni CVD e PVD: vengono realizzati rivestimenti di durezza molto elevata, resistenti a corrosione e usura;

 Elettrodeposizione: dopo trattamenti di preparazione superficiale vengono depositati metalli come Cr, Ni e altri;

APPLICAZIONI IN CAMPO AEROSPAZIALE:

Le doti di leggerezza, saldabilità e resistenza ad alta T, soprattutto delle leghe con torio, sono state sfruttate in

applicazioni missilistiche e spaziali soprattutto negli anni 50’-60’. Nel passato il magnesio è stato impiegato in

quantità variabili dalle maggiori aziende aeronautiche per componenti motoristici o strutturali. Tuttavia, dopo gli

anni 60’-70’ le applicazioni aerospaziali del magnesio hanno visto una sensibile riduzione. Attualmente le maggiori

aziende aeronautiche non impiegano il metallo per componenti strutturali primari. Le applicazioni in ambiente

aeronautico e spaziale + significative riguardano alloggiamenti motore, gear box, componenti di satelliti.

CAPITOLO 10

TECNICHE DI COLATA

FUSIONE:

Energia termica necessaria: calore necessario per portare il materiale a T di fusione + calore latente di fusione per

trasformare il materiale da solido a liquido + calore necessario per portare il materiale dalla T di fusione a quella

necessaria alla colata.

Forni usati per il riscaldamento:

 A riscaldamento diretto: costituiti da un letto di fusione sul quale il materiale viene riscaldato dalla fiamma di

bruciatori ai lati del forno. Nei forni a riverbero, il calore viene riflesso da soffitto e pareti del forno e concentrato

sul metallo che, una volta fuso, viene evacuato da un’apertura sul fondo. Particolarmente adatto alle leghe di Al;

 A riscaldamento indiretto: il metallo contenuto in un crogiolo, viene riscaldato con idrocarburi gassosi o liquidi,

combustibile fossile o elettricamente. Sono particolarmente adatti alla fonderia delle leghe leggere e degli acciai;

 Ad arco elettrico: hanno elevato rateo di fusione e, quindi, sono adatti a grandi produzioni. Son meno inquinanti

e in grado di mantenere il fuso a T costante per lunghi periodi, consentendo operazioni di alligazione complicate;

 A induzione: consentono la produzione di piccole quantità di fuso a composizione strettamente controllata. Sono

costituiti da un crogiolo avvolto (o parzialmente avvolto) da spire raffreddate ad acqua entro cui passa corrente;

 A cupola: serbatoi verticali in acciaio rivestiti all’interno da materiale refrattario e riempiti con strati di coke e di

metallo. Operano in continuo, hanno elevati ratei di fusione e sono adatti alla produzione in massa degli acciai.

Alliganti e additivi: disossidano, degassano, raffinano e puliscono il fuso dai residui provenienti dalle pareti del

crogiolo. Inoltre, quando il fuso viene trasferito dal forno allo stampo per mezzo di un crogiolo movimentabile, è

necessario evitare l’introduzione di ossidi nello stampo di fusione: a tal fine, durante il trafitto, il fuso viene protetto

in superficie da speciali additivi e filtrato prima di essere colato.

Eventi critici che possono verificarsi durante il riempimento dello stampo ed influenzare la qualità finale del getto:

 Interazioni gassose con il fuso: il metallo fuso è molto reattivo nei confronti dell’ambiente gassoso e del

materiale del crogiolo, in quanto tende a raggiungere condizioni di equilibrio con l’ambiente circostante. Si può

evitare il problema usando un’atmosfera inerte nel forno o degassando il fuso tramite insufflazione con azoto;

 Film superficiali: sulla superficie del fuso si ha la formazione di un film di ossido. Se questo film viene inglobato

(accade quando s’aggiungono alliganti o si versa il fuso nello stampo), il film si ripiega su se stesso portando a

contatto due superfici ossidate e creando una cavità. Ciò comporta ridotta fluidità, resistenza a fatica, ridotte

caratteristiche meccaniche, problemi di lavorazione alla macchina utensile e perdita di tenuta;

 Formazione di superfici di discontinuità interne: la geometria dello stampo può obbligare il flusso di metallo fuso

a separarsi per poi riunirsi. Ciò comporta la formazione di un film che ricopre i due fronti di flusso. Si possono

verificare circostanze in cui i due fronti non si incontrano o, pur incontrandosi, la giunzione ha resistenza ridotta.

RIEMPIMENTO:

Riempimento: Il canale di colata deve essere rastremato (se così non fosse, all’aumentare della velocità, verrebbe

aspirata aria all’interno dello stampo). La fase di travaso dal crogiolo allo stampo è la più critica ed è responsabile

della maggior parte di difetti nel processo di colata. Per prima cosa è necessario verificare se il metallo fuso è in

grado di riempire lo stampo (per leghe di Al: ). L’outgassing degli stampi ostacola il riempimento e, quindi,

essi vanno provvisti di fori di drenaggio. La ed il vuoto non giocano alcun ruolo. Nel caso di colata vacuum-

assisted, viceversa, il vuoto garantisce l’outgassing degli stampi e conferisce alla un effetto propulsivo.

Sistema di riempimento:

 Camera di riempimento: assicura il deposito delle scorie ed il regime laminare all’ingresso del canale di colata;

 Canale di colata: condotto liscio, verticale, rastremato di forma tronco-conica. La sezione terminale è importante

per controllare il rateo di colata;

 Canali di riempimento: provvedono ad un riempimento dal basso dello stampo per evitare flussi turbolenti, bolle

e sedimentazione delle scorie. Dei filtri evitano l’ingresso di scorie, ossidi e residui di sabbia;

Problemi legati al riempimento dello stampo da parte del fuso:

 Deformazione dello stampo: è uno dei fenomeni più rilevanti ed è dovuto alla sovrapposizione di diversi effetti;

 Pressurizzazione dovuta al fuso: il riempimento da parte del fuso induce sollecitazioni idrauliche che concorrono

a deformare ulteriormente lo stampo;

 Reazioni chimiche: alterano la composizione chimica dello strato superficiale a contatto tra stampo e getto;

SOLIDIFICAZIONE:

Tempo di solidificazione totale: tempo che intercorre tra la colata e la completa solidificazione (dipende da

dimensioni e forma del getto);

Contrazione volumetrica: dipende dalla variazione di T ed avviene: durante il raffreddamento prima della

solidificazione; durante la trasformazione di fase da liquido a solido (contrazione di solidificazione); durante il

raffreddamento sino a T ambiente;

Solidificazione direzionale: per evitare la formazione di vuoti da solidificazione, è preferibile che la solidificazione

progredisca dalle zone più lontane dai canali di colata, verso la zona di alimentazione;

Differenze nei processi di solidificazione:

 Metalli puri: solidificano ad una T costante, che coincide con il punto di congelamento e col punto di fusione;

 Leghe: congelano in un range di temperature, la cui estensione dipende dalla composizione della lega stessa. Al

diminuire della T, il congelamento inizia alla temperatura di liquidus e si completa alla temperatura di solidus.

 Eutettici: leghe per cui le temperature di solidus e liquidus coincidono. Perciò la solidificazione avviene, come per