CONSIDERAZIONI SULL'ALLUMINIO (torna all’indice)

 

 

 

 

 

 

A cura di Fabrizio Interlandi

Thomas Bortolamedi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Alluminio e le sue leghe.

Progettare con l' alluminio.

Lavorazioni dell' alluminio per asportazione di truciolo.

Lavorazione dell' alluminio per deformazione plastica.

 

 

 

 

 

 

 

 

Alluminio e le sue leghe

Nozioni generali.

L' alluminio ( Al ) è un metallo leggero malleabile, duttile, pieghevole, con buona conduttività sia elettrica che termica e temperatura di fusione relativamente bassa. E' molto diffuso in natura sotto forma di ossido idrato (bauxite), da cui si ricava. Viene poco impiegato allo stato puro; è tuttavia di grande importanza industriale perché costituisce l'elemento di base per la produzione delle leghe leggere. Le proprietà dell' alluminio sono le seguenti:

ricotto 58 -- 108 N/mm^2

incrudito 117 -- 176 N/mm^2

ricotto 35 -- 45%

incrudito 7-10%

ricotto 16-25

incrudito 45-60

 

 

L' alluminio presenta una struttura cristallina cubica a facce centrate, simile quindi a quella del ferro a . Questo metallo è molto avido di ossigeno e all’ aria si ricopre immediatamente di un leggero strato di ossido che lo protegge da un ' ulteriore più profonda ossidazione (passività dell' alluminio). Perciò sì producono lamiere di lega leggera placcate con alluminio, commercialmente note come Chitonal e Alciad.

La facile ossidabilità dell' alluminio crea dei problemi per la sua saldatura. L' ossido di alluminio è un sesquiossido (Al2 03) chiamato allumina; è durissimo (tant' è che viene usato come abrasivo sia direttamente in polvere, sia per la fabbricazione delle mole bianche dei tipo aludum), ha un peso specifico superiore a quello dell' alluminio (3,6 kg/dM3 ) e fonde solo ad altissima temperatura (2000 °C). Perciò I' ossido tende a rimanere incluso nel bagno danneggiando la saldatura; quando si cerca di fonderlo, col cannello, sì fonde rapidamente tutta la zona circostante ( per via della più bassa temperatura di fusione dei metallo base).

la fusione dell' alluminio non presenta invece difficoltà rilevanti, purché si protegga il bagno dall’ ossidazione usando apposite sostanze disossidanti.

L' alluminio presenta un' elevata conduttività elettrica ed è quindi molto usato per conduttori. Quanto alle proprietà meccaniche dell’ alluminio esse sono scadenti ( scarsa resistenza a trazione, bassa resilienza) e perciò l’ impiego di alluminio puro si riduce a pochi casi particolari: fogli per la conservazione di alimenti, rivestimenti di leghe leggere, conduttori elettrici, polvere per la saldatura allumino termica, impiego per calmare gli acciai effervescenti.

Bastano piccole quantità di elementi leganti ( ad esempio rame, silicio, magnesio) per formare, con I' alluminio, delle leghe leggere con caratteristiche meccaniche eccellenti, pur conservando sempre il vantaggio della leggerezza. Per tale motivo I' alluminio, quale costituente fondamentale delle leghe leggere, è il più importante dei metalli non ferrosi.

Il campo di impiego delle leghe leggere è vastissimo: laminati, profilati ed estrusi usati in edilizia e nell'arredamento, serramenti per finestre, parti strutturali di aerei, elicotteri, autovetture veloci, cerchioni per autovetture sportive, telai di biciclette, carter di motori e di cambi di velocità di veicoli leggeri, cilindri e pistoni di motociclette.

Leghe leggere.

Delle così dette leghe leggere, con elemento base I' alluminio, vi è una grande varietà a seconda delle percentuali dei vari costituenti che determinano caratteristiche meccaniche e tecnologiche svariatissime. I componenti principali, oltre I' alluminio, sono i( rame, il magnesio, il silicio, il manganese. Si impiegano però anche zinco, nichel, e altri metalli.

Gran parte delle leghe subiscono un miglioramento nelle caratteristiche meccaniche in seguito ad un trattamento termico detto di bonifica. Esso si attua in due tempi, distinti in tempra strutturale ed invecchiamento.

La tempra strutturale consiste in un riscaldamento a temperatura fra 490 e 540 °C ( per un periodo di tempo conveniente in modo che si abbia la solubilizzazione dei leganti nell' alluminio) seguito da un raffreddamento in acqua. Segue poi I' invecchiamento, ( o stagionatura) naturale ( riposo 3 -- 4 giorni a temperatura ordinaria) o artificiale (per 4 - 8 ore a temperatura intorno a 120 -- 160 T) durante il quale ha luogo la precipitazione, dalla soluzione solida, di particolari composti degli elementi leganti.

Anche le leghe leggere, in seguito a lavorazione plastica incrudiscono, e quindi è spesso necessaria la ricristalizzazione per mantenere volute caratteristiche di plasticità qualora si voglia proseguire nella lavorazione. Si esegue così la ricottura, diversa da quella che viene eseguita per gli acciai. Il riscaldamento ha luogo infatti a temperatura inferiore a quella di bonifica, fra 350 e 450°C a seconda della composizione, ed il raffreddamento ha luogo in aria. (torna)

 

 

Progettare con l'alluminio.

Con venticinque milioni di tonnellate di consumo annuo mondiale, l'alluminio occupa il primo posto nella metallurgia dei metalli non ferrosi. In crescita costante dal 1950, la produzione di alluminio primario raggiunge oggi i venti milioni di tonnellate, ai quali si aggiunge un tonnellaggio anch'esso crescente di metallo riciclato. Lo sviluppo delle applicazioni dell'alluminio e delle sue leghe è dovuto alle proprietà di questi materiali che sono altrettanti vantaggi decisivi nella scelta dei progettisti, dei costruttori e degli utilizzatori.

Nella meccanica industriale, nella quale l'acciaio resta largamente il materiale più usato, l'affermazione dell'alluminio è ancora modesta, e ciò per diversi motivi. Con un punto di fusione di 658°C al posto dei 1450°C dell'acciaio, il suo campo di utilizzazione è limitato alle medie temperature. Non è, per sua natura, adatto allo strisciamento con attrito. Presenta dei rischi, talvolta insidiosi, di corrosione. Il suo comportamento a fatica è ben lontano dall'eguagliare quello degli acciai. E' anche meno resistente e meno rigido: in molti casi il disegno del pezzo richiede uno spessore maggiore di metallo. Sulla base del solo criterio di resistenza, la sostituzione di una lamiera di acciaio E24 con una lamiera di 5086 H111 o 5083 H111 impone di utilizzare uno spessore superiore di 1,5 volte. Tuttavia, il meccanico può sfruttare questi punti deboli. Uno degli aspetti più vantaggiosi dell'alluminio è paradossalmente il suo basso modulo di elasticità che consente molte possibilità di profilatura. Si possono anche realizzare direttamente delle sezioni con funzioni meccaniche o assicurare la rigidezza delle strutture pur alleggerendole. In tabella 1 è riportato un confronto tra le proprietà dall'alluminio e degli altri principali metalli impiegati nell'industria meccanica.

Leggerezza (torna)

Il primo vantaggio dell'alluminio è in effetti quello di essere il più leggero, cioè il meno denso, tra i metalli correnti. La sua massa volumica è all'incirca tre volte inferiore a quella degli acciai. L'alleggerimento che si ottiene con una struttura in lega di alluminio può raggiungere il 50% rispetto al suo equivalente di acciaio comune o di acciaio inossidabile. Ciò è possibile tenendo conto dei modulo di elasticità (un terzo di quello dell'acciaio), dei limiti di fatica degli assemblaggi saldati o imbullonati e a condizione di non effettuare la pura e semplice trasposizione alle leghe di alluminio delle regole di progettazione e di calcolo dell'acciaio. Questa capacità viene sfruttata in numerose applicazioni. Sui veicoli stradali l'alleggerimento va dal 30 al 50%, secondo i materiali. Il nuovo treno francese ad alta velocità TGV a due livelli, alcune vetture per metropolitane e alcuni tram sono costruiti in lega di alluminio (lamiere della famiglia 5000, profilati della famiglia 6000). Con l'alluminio le navi ad alta velocità guadagnano dal 40 al 50% sul peso dello scafo. Le leghe di alluminio entrano almeno per il 40% nel peso a vuoto dei moderni aerei. Nel trasporto di energia elettrica, a parità di prestazioni il conduttore in lega 1570 è due volte meno pesante di quello di rame.

Per le applicazioni meccaniche, quando si sostituisce, a parità d'ingombro, un pezzo di acciaio con un pezzo in lega delle famiglie 2000, 7000, 5000 o 6000, la riduzione di peso sta nel rapporto delle densità, è cioè pari al 60%. Ciò spiega perché nelle macchine che prevedono organi mobili, come i robot, si montino sempre più spesso pezzi in lega di alluminio per ridurre le inerzie. La leggerezza dell'alluminio è anche vantaggiosa per il funzionamento delle officine e per le condizioni di lavoro. La manipolazione dei semilavorati e dei pezzi in genere è più facile e pertanto gli investimenti per le relative apparecchiature sono minori.

 

Conduttività (torna)

L'alluminio non legato presenta un'eccellente conduttività termica, dell'ordine, dei 60% rispetto a quella del rame. La conduttività termica delle leghe di alluminio dipende dalla composizione e dallo stato metallurgico: da 117 W/m*K per le leghe 5083, 5019 e 5356 a 243 W/m*K per la lega 1199 (conduttività a 20 °C). A questa proprietà è dovuto l'impiego antichissimo di utensili di cucina in lega di alluminio. Ed è per la stessa ragione che oggi si costruiscono scambiatori di calore per automobili nelle leghe 3003, 3005 o 6063 e stampi di Alumold per le materie plastiche; in quest'ultimo caso, la conduttività dell'alluminio determina un notevole risparmio di tempo, dell'ordine dei 30%, sul ciclo di fabbricazione, qualunque sia la modalità di produzione: iniezione, soffiatura, ecc. La conduttività elettrica dell'alluminio è dell'ordine dei 2/3 di quella del rame. E per questo motivo che l'alluminio non legato e alcune leghe sono largamente utilizzati nelle condutture elettriche, per la schermatura dei cavi telefonici e delle sottostazioni di trasformazione, per la protezione contro i campi elettrici o magnetici. Per non dimenticare l'impiego dei cavi aerei di alluminio, oggi quasi esclusivo nel trasporto dell'energia elettrica.

 

 

Resistenza alla corrosione (torna)

Le leghe delle famiglie 1000, 3000, 5000, 6000 e 8000 dimostrano una buona resistenza alla corrosione in ambiente marino, urbano e industriale. Come nel caso della leggerezza, questa qualità spiega l'aumento delle applicazioni dell'alluminio. Ed è appunto per la buona resistenza alla corrosione che la durata utile delle apparecchiature e del materiale può risultare lunghissima. Non è raro trovare tettoie, protezioni, battelli, attrezzature di porti turistici che hanno parecchi decenni di servizio. Ciò vale anche per il trasporto e per altre applicazioni. La manutenzione è molto ridotta anche se il materiale non è verniciato né anodizzato. Quando è verniciato, il rifacimento dei rivestimento è meno frequente e meno urgente, perché il metallo sottostante resiste alla corrosione. Si tratta di un buon argomento di vendita presso gli utilizzatori che desiderano conservare al materiale un buon aspetto, a costi più bassi. Buoni esempi sono i veicoli industriali, l'arredo urbano, i cartelli e i ponteggi della segnaletica stradale. Sono tuttavia da evitare le situazioni a rischio. In linea generale, la resistenza alla corrosione delle leghe 2000 e 7000 non è sufficiente per l'esposizione agli agenti atmosferici senza protezione. I film di allumina che ricopre naturalmente l'alluminio risulta attaccato in ambiente acido (acido cloridrico) o alcalino (soda caustica, potassa). Quando questo film presenta dei difetti (assottigliamento, lacune, rigature), si può manifestare la corrosione per vaiolatura, in particolare in tutti gli ambienti naturali con pH prossimo alla neutralità (acque di acquedotto, acqua di mare); ma fortunatamente questo tipo di corrosione rimane superficiale.

Neanche la corrosione cavernosa è generalmente da temere, soprattutto se si ha cura di evitare i recessi che la favoriscono. La corrosione a sfoglie è un rischio minore per le leghe della famiglia 5000, che negli stati più comuni (0, H1 11, 1-1116, H22, H24) ne sono normalmente insensibili. Essa è invece pericolosa per la 7020 (A-Z5C) allo stato saldato.

Più insidiosa, perché invisibile a occhio nudo, la corrosione intergranulare può portare al cedimento della struttura. Questa forma di corrosione riguarda soprattutto le leghe a indurimento strutturale (2000 e 7000) quando, in seguito a trattamenti termici mal effettuati, esse sono sensibilizzate da precipitazioni incontrollate sul bordo dei grani. La corrosione intergranulare colpisce anche le leghe al magnesio della famiglia 5000 quando permangono per lungo tempo in temperatura.

La corrosione galvanica, propria degli assemblaggi eterogenei, è stata per lungo tempo la preoccupazione principale degli utilizzatori. Il rischio è massimo quando l'assemblaggio è immerso. Ci si premunisce interponendo tra i metalli una guarnizione isolante o verniciando la zona di contatto. E’ preferibile l'uso di viteria di alluminio. (torna)

Trattamenti superficiali

Come per tanti altri metalli, i trattamenti superficiali migliorano le proprietà funzionali ed estetiche delle leghe di alluminio. La sgrassatura, che elimina i residui di lubrificanti usati per le operazioni di formatura, è un preliminare obbligatorio a qualsiasi altro trattamento. Il decapaggio chimico favorisce l'adesione e la tenuta nel tempo delle colle e delle vernici. La brillantatura chimica e la lucidatura elettrolitica aumentano la riflettività speculare dei metallo. I trattamenti di conversione chimica (fosfatazione, cromatazione gialla o verde) determinano la formazione di strati di ossidi complessi che costituiscono una buona preparazione prima della verniciatura o dell'incollaggio. Le pitture o le vernici, oltre ad avere una funzione decorativa, favoriscono la protezione contro la corrosione. La pallinatura migliora la resistenza a fatica delle leghe delle famiglie 2000 e 7000.

Specifici per l'alluminio e le sue leghe, i processi di anodizzazione formano strati di ossidi che hanno proprietà diverse da quelle degli ossidi naturali dell'alluminio. Le anodizzazioni di tipo poroso, le più diffuse nell'industria, vengono ottenute con tre procedimenti. L'anodizzazione all'acido cromico trova ancora, malgrado la presenza di cromo, numerose applicazioni: protezione contro la corrosione, preparazione prima dei rivestimento organico (aeronautica), idoneità allo strisciamento. L'anodizzazìone all'acido fosforico viene impiegata soprattutto per la preparazione della superficie prima dell'incollaggio; gli strati anodici ottenuti costituiscono in effetti una struttura molto porosa che favorisce l'adesione dei polimeri. L'anodizzazione all'acido solforico è il procedimento più diffuso. Le diverse condizioni operative di questo trattamento consentono al metallo applicazioni molto diversificate: decorazione, protezione, aumento della durezza. Effettuata in ambiente solforico freddo, l'anodizzazione dura produce strati spessi (da 25 a 100 pm), di elevata durezza (da 300 a 500 Vickers) e resistenti all'abrasione.

L'impregnazione degli strati anodizzati sfrutta la loro porosità per colorare il materiale o migliorare le sue prestazioni tribologiche.

Il processo Tufram, per esempio, effettua impregnazioni di teflon o di altri polimeri per i pezzi soggetti ad attrito. Si applicano anche lubrificanti solidi (MOS2) o liquidi per evitare il grippaggio e abbassare il coefficiente di attrito.

Diversità delle leghe e dei semilavorati (torna)

Appartenendo a otto famiglie (tab2), le leghe di alluminio sono molto numerose e variano per quanto riguarda la composizione, le proprietà e gli impieghi. Le leghe di una stessa famiglia presentano delle proprietà comuni. Ma spesso le cose vanno diversamente da una famiglia all'altra. Le leghe della famiglia 5000, per esempio, sono saldabili mentre quelle della famiglia 2000 offrono caratteristiche meccaniche più elevate, ma con una mediocre resistenza alla corrosione atmosferica. Ciò vuoi dire che non sempre è possibile passare da una famiglia all'altra, quando si richiedono caratteristiche meccaniche più elevate. Per esempio, non si sostituisce certamente una 6061 T6 con una 2017 T4 senza fare un'analisi precisa delle condizioni di esercizio.

Le modalità di trasformazione delle leghe di alluminio offrono agli uffici tecnici e ai costruttori un grande assortimento di prodotti: laminati (lamiere e nastri), profilati, stampati e fucinati, getti. Alcuni sono compatibili tra Ioro , in particolare per la saldatura. Per esempio, i laminati o gli estrusi delle famiglie 3000, 5000 e 6000 sono saldabili con pezzi stampati di A-S7G03, A-S7G06, A-SIOG, A-Z5G. Da un punto di vista metallurgico, le leghe di alluminio si dividono in due gruppi distinti: le leghe incrudite a freddo e le leghe trattate termicamente. Per le prime, la norma NF EN 515 definisce tre stati fondamentali: F, grezzo di fabbricazione senza garanzia di proprietà; 0, ricotto, la capacità di formatura è massima; H, indurito per incrudimento. Per le seconde, gli stati T corrispondono a diverse condizioni di impiego, per trattamento termico di tempra e rinvenimento o per invecchiamento naturale.

Facilità di lavorazione

Con la precauzione di osservare alcune regole specifiche, la messa in opera delle leghe di alluminio rientra nei procedimenti abituali di formatura, piegatura, carpenteria, imbutitura e lavorazione alla macchina, utilizzati per gli acciai. La lavorazione delle leghe di alluminio non richiede generalmente nessuna attrezzatura specifica. Si raccomanda invece di assegnare a essa un reparto specializzato, separato da quello degli acciai e soprattutto da quello delle leghe di rame, perché il contatto dell'alluminio con i trucioli o le polveri di questi metalli può provocare corrosione.

 

 

Lavorazioni dell'alluminio per asportazione di truciolo. (torna)

Le lavorazioni alla macchina utensile descritte nella PARTE 1 sono del tutto generali , cioè utilizzabili per qualsiasi tipo di metallo. Passando da un metallo a un altro è sufficiente avere l'accortezza di impiegare parametri di lavoro della macchina e utensili adeguati al materiale da lavorare.

Per quanto riguarda l'alluminio , essendo molto duttile e malleabile esso tende a formare un truciolo continuo che si avvolge facilmente attorno all'utensile , obbligando l'operatore ad interrompere il lavoro per asportarlo. Questo fenomeno molto fastidioso si può evitare usando utensili dotati di rompitruciolo. Inoltre per l'alluminio si possono impiegare taglienti non eccessivamente duri e quindi poco costosi.

I principali parametri di lavoro per le lavorazioni per asportazione di truciolo sono la velocità di taglio, l'avanzamento e la profondità di passata. Dalle tabelle riportate si nota che l'alluminio richiede elevate velocità di taglio che possono arrivare anche a valori di 800 m/min. Anche gli avanzamenti consentiti sono piuttosto elevati.

Quando sono richiesti gradi di finitura superficiale molto alti è conveniente evitare la lappatura. Essa infatti risulta più adeguata per materiali duri. Per l'alluminio è invece preferibile una levigatura. (torna)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lavorazioni dell'alluminio per deformazione plastica (torna)

Per poter attuare le lavorazioni per deformazioni plastica, l' alluminio deve presentare alcune proprietà tecnologiche consone alla lavorazione che si vuole attuare. Le principali proprietà tecnologiche che a noi interessano per le lavorazioni trattate sono la duttilità e la malleabilità.

La malleabilità è la proprietà che presentano alcuni materiali di lasciarsi deformare a caldo o a freddo, sotto l' azione di urti o di pressioni, senza che vi si verifichino screpolature o rotture. La malleabilità è una proprietà che ha grande importanza in tutte le lavorazioni plastiche di laminazione, fucinatura, pressatura, imbutitura, piegamento.

Sono materiali particolarmente malleabili il rame e l' alluminio.

La malleabilità può aumentare o diminuire in uno stesso materiale con il variare della temperatura, in seguito a trattamenti termici o in seguito a lavorazioni meccaniche; per cui le prove di malleabilità devono essere eseguite in condizioni diverse.

Per la determinazione della malleabilità si fanno prove di piegamento su barre, lamiere, profilati, fili con modalità diverse; prove di imbutitura, prove di lavorabilità varie, di punzonatura, di allargamento dei fori, di attorcigliamento su fili, di appiattimento su tubi.

La prova di piegamento si può eseguire in modo che uno dei due lembi della provetta faccia un determinato angolo col prolungamento dell' altro lembo;oppure si può fare il piegamento del blocco in modo che le superfici dei lembi siano portate a contatto.

Dopo la prova le provette non devono riportare screpolature.

La duttilità è una particolare forma di malleabilità e consiste nella proprietà dei materiali di lasciarsi trasformare in fili e lamine sottili.

Sulla malleabilità e duttilità sono basate le lavorazioni plastiche di laminazione, di estrusione, di trafilatura, di fucinatura manuale e meccanica, al maglio o alla pressa. Con queste lavorazioni si ottengono semilavorati, lamiere, barre, e profilati commerciali che consentiranno di ricavare i pezzi finiti con ulteriori lavorazioni basate sulla malleabilità, o sulle macchine utensili, completate da eventuali trattamenti termici. (torna all’indice)