Leghe di alluminio

Gli ossidi di Ti e Fe sono insolubili e si separano. Alla soluzione basica vengono aggiunti,

come semi di cristallizzazione, cristalli di pura. Il materiale cristallizzato e calcinato a

! "

1300°C è sottoposto al processo di elettrolisi. Tale processo prevede come mezzo

+

elettrolitico allo stato fuso a 1000°C in celle di grafite.

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↔ +

L’allumina è parzialmente dissociata in .

! "

Elementi di metallurgia delle leghe di alluminio:

o Principali caratteristiche fisiche dell’alluminio puro "

§ L’alluminio e le sue leghe sono caratterizzate da una densità piuttosto bassa (2,7 g/ )

"

relativamente alle leghe ferrose (7,9 g/ ) e per questo vengono classificate come leghe

leggere o leghe aeronautiche.

§ Altre caratteristiche di queste leghe sono la buona duttilità, che ne consente una facile

lavorazione, e la resistenza alla corrosione ed ossidazione, in virtù dello strato di ! "

passivante che si forma sulla superficie.

§ La principale limitazione nell’uso dell’alluminio e le sue leghe è dovuta alla bassa

temperatura di fusione (600°C), che ne limita l’impiego alle alte temperature.

§ Un altro fattore, che per anni ha limitato l’impiego di questa lega quasi esclusivamente al

campo aeronautico, è il suo costo maggiore rispetto alle leghe tradizionale. Ciò è dovuto

esclusivamente al processo di conversione della bauxite in alluminio, che richiede un

consumo abbastanza consistente di energia.

o La struttura cristallina e il legame che unisce atomi metallici allo stato solido

Il reticolo cristallino dell’alluminio è di tipo cubico a facce centrate (CFC), che rende conto

della sua elevata duttilità. Ovviamente questo corrisponde anche ad una resistenza allo

snervamento piuttosto bassa per l’alluminio puro che in tale forma non ha applicazioni

meccaniche. La resistenza allo snervamento e la durezza dell’alluminio puro viene

incrementata notevolmente tramite alligazione con altri elementi.

ü Le proprietà metallurgiche di una soluzione solida !

§ La conducibilità elettrica è buona (37,7 m/Ω ). E’ pari al 65% di quella del

rame a parità di volume, ma è il 200% in peso.

§ La conducibilità termica è ottima (242 W/m*K), superata solo da Ag, Au e Cu

(Fe=79 W/m*K). %&

10

§ Il coefficiente di dilatazione (23 * ), due volte quello del ferro, dà inconvenienti

durante la fusione e le saldature.

§ Il punto di fusione è di 660°C, il che rende l’alluminio, e ancora di più le sue leghe,

lavorabili per fusione.

§ E’ molto resistente alla corrosione dovuta ai normali agenti, perché si ricopre di uno

strato di ossido aderente e non poroso, ma protettivo. L’elevata resistenza alla

corrosione fa si che la sua riciclabilità sia molto alta.

L’ è chimicamente stabile tra pH = 4-8.

! "

§ Non è magnetico (sopporta elevati voltaggi ed è ottimo quindi in elettronica).

/

§ Il rapporto è superiore a quello dell’acciaio; la durezza però è bassa.

§ Non presenta limite di fatica (da questo punto di vista è peggio dell’acciaio).

§ E’ aspinterogeno, quindi se urtato non provoca scintille.

§ La resistenza all’abrasione e all’usura sono basse.

§ Non è combustibile e non produce fumi tossici.

§ Sulla base del solo criterio di resistenza, la sostituzione di una lamiera di acciaio E24

con una 5086 H111 richiede uno spessore 1,5 maggiore.

ü Gli effetti indotti dal limite di solubilità

® Finchè il soluto è presente in quantità inferiore al limite di solubilità caratteristico della

temperatura e del sistema considerato, nel sistema è presente una sola fase, cioè la soluzione

solida, che convenzionalmente viene definita come fase (ad esempio, nelle leghe Al-Si da

,

fonderia, si parla di fase ricca di alluminio e con una certa quantità di silicio disciolta in

essa).

® Qualora il soluto sia presente in eccesso rispetto al limite di solubilità, la configurazione a

energia minima è costituita da due fasi: la fase (con il soluto presente in quantità

coincidente con il limite di solubilità) e una seconda fase, costituita solitamente da un

composto intermetallico o da un’altra soluzione solida, formata dall’alluminio e

dall’elemento aggiunto (con quest’ultimo presente in quantità rilevante ed evidentemente

superiore rispetto al limite di solubilità).

ü Alluminio puro

Nelle applicazioni reali, l’impiego di alluminio puro è piuttosto raro, e in ogni si preferisce

la denominazione di “alluminio commercialmente puro” (Al ), data la presenza di

CP

limitati quantitativi di silicio e ferro come principali impurezze. Al di là di questo, va invece

detto che quasi sempre si fa uso di leghe, che presentano quindi l’aggiunta intenzionale di

elementi addizionali, allo scopo di migliorare il comportamento del materiale.

ü I fenomeni microstrutturali che spiegano i meccanismi di rafforzamento attivi nelle

leghe ed il loro comportamento meccanico

L’incremento di durezza e resistenza allo snervamento si ottiene sia con la formazione di

leghe sostituzionali (l’atomo dell’elemento aggiunto in lega si sostituisce nella cella

all’atomo di alluminio) sia con processi di indurimento per precipitazione ed

invecchiamento.

Obiettivo dell’indurimento è quello di impedire o ridurre la deformazione plastica ed

aumentare di conseguenza lo snervamento. Questo si può ottenere bloccando il movimento

delle dislocazioni, poiché è tramite il loro movimento che possono aver luogo gli

scorrimenti dei piani atomici e quindi la deformazione plastica.

Uno dei principali ed efficaci meccanismi di bloccaggio del movimento delle dislocazioni è

quello di frapporre degli ostacoli al loro cammino; un altro, invece, consiste nel creare dei

punti dove la dislocazione rimanga intrappolata poiché abbassa in tali punti la sua energia

libera. L’indurimento per precipitazione utilizza il primo meccanismo, mentre l’atomo

sostituzionale o l’incrudimento utilizzano perlopiù il secondo meccanismo.

Nel caso delle leghe di alluminio, l’indurimento per precipitazione è quello maggiormente

responsabile della durezza e resistenza di tali leghe.

Nel rafforzamento per precipitazione, l’ostacolo al moto delle dislocazioni è costituito

dalla precipitazione di una seconda fase, ottenuta sfruttando la variazione della solubilità

con la temperatura. La seconda fase formata costituisce un ostacolo realmente efficace se è

coerente (cioè se mantiene la continuità) con la fase principale: l’effetto è tanto più

significativo quanto più sono limitate le dimensioni dei precipitati della seconda fase.

Nel rafforzamento per incrudimento (cioè per deformazione a freddo) intervengono due

aspetti:

1. In base a differenti meccanismi, il moto delle dislocazioni tende a generarne di nuove;

2. Le dislocazioni sono sottoposte a vincoli geometrici e a fattori attrattivi o repulsivi che,

in ultima analisi, tendono ad “ancorarle” le une alle altre.

In definitiva, la deformazione a freddo aumenta il numero delle dislocazione e, nel

contempo, ne favorisce il reciproco bloccaggio: un loro ulteriore movimento avviene

soltanto incrementando lo sforzo applicato.

Processo di indurimento per invecchiamento

Il processo comprende gli stadi di:

1. Tempra (A);

2. La nucleazione di all’interno dei grani k (B);

3. Il loro accrescimento (C).

La microstruttura C risulterà molto più dura di quella che si otterrebbe con un processo lento (L).

Infatti, nella microstruttura L, pur contenendo le stesse fasi (k + ), la fase è nucleata ed

accresciuta a bordo di grano.

Come si può osservare nel diagramma di fase Al-Cu, una lega con il 2,4% in atomi di Cu, a

temperatura ambiente, è bifasica: una fase ricca in Al e la fase di composizione stechiometrica

(intermetallica). Quindi con un trattamento termico prolungato a 540-550 °C nella zona di

!

completa solubilità di Cu in Al, la lega solubilizzerà il Cu nella matrice di Al.

Abbassando la temperatura velocemente fino a 300°C, la lega risulterò sovrassatura di Cu e la

.

matrice tenderà ad espellere Cu nel tempo per formare dei precipitati di fase

Quest’ultimo trattamento è il cosiddetto processo di invecchiamento.

Nel caso si voglia aumentare ulteriormente la durezza e la resistenza allo snervamento si può

combinare il processo di precipitazione con una lavorazione a freddo. Il processo di lavorazione

viene effettuato subito dopo la solubilizzazione e prima del processo di invecchiamento. Infatti,

dopo precipitazione, la lega assume elevata durezza e non potrebbe essere lavorata a freddo. Inoltre

quest’ultima produce siti di nucleazione che favoriscono la precipitazione dell’intermetallico o di

altra fase indurente, omogeneamente distribuiti nel grano.

ü Ossidazione e corrosione

L’alluminio e le sue leghe possiedono uno strato di ossido nativo sulla superficie,

! "

molto aderente, che le rende resistenti ad una ossidazione e/o corrosione ulteriore. Lo strato

passivante può essere incrementato con un processo elettrochimico detto anodizzazione

(corrosione forzata). Tale processo è necessario proprio per le leghe in quanto, in generale,

si comportano peggio del metallo puro dal punto di vista della corrosione.

Lo strato di allumina è generalmente aggredito in ambiente basico a causa del

comportamento anfotero dello ione alluminio. Anche in presenza di cloruri e fluoruri

possono presentare fenomeni di corrosione localizzata, accellerata dalla contemporanea

presenza di uno stato di sforzo.

Tale fenomeno è più evidente per leghe che hanno subito un processo di lavorazione a

freddo ed invecchiamento, ma può essere limitato in due modi.

1. Il primo consiste nel prolungare il trattamento di invecchiamento per produrre dei

precipitati più stabili, di dimensioni maggiori e riducendo gli sforzi residui (interfacce

meno coerenti) tra matrice e inclusione. Tale processo viene chiamato

sovrainvecchiamento (overaging).

2. Il secondo metodo consiste nel rivestire la superficie della lega con uno strato sottile di

alluminio puro (in genere tramit