LE LEGHE NON FERROSE

1. LE LEGHE NON FERROSE

2. L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE • L’ alluminio è un elemento chimico facente parte dei metalli. • Elemento di numero atomico 13 • Densità 2,70 g/cm^3 • Punto di fusione 660°C • Carico di rottura 55-91 MPa • Allungamento a rottura 55 % • Aspetto bianco-argenteo • Basso peso specifico, pari a circa un terzo di quello dell’acciaio o delle leghe di rame • Elevata resistenza alla corrosione • Alta conducibilità termica ed elettrica • Atossicità • Elevata plasticità • Eccellente duttilità e malleabilità • Ottima saldabilità (a gas, ad arco elettrico, per resistenza) • Esso si trova in associazione con il silicio negli alluminosilicati, nei feldspati, nelle miche e nelle argille. Il minerale più importante per la produzione dell' alluminio è la • Bauxite.

3. Classificazione dell’alluminio e delle sue leghe • Le leghe di alluminio si dividono in leghe da fonderia per fabbricazione di getti e in leghe da deformazione plastica per la produzione di laminati estrusi e forgiati. • La classificazione internazionale ( Alluminium Association) prevede un sistema di quattro cifre in cui: • la prima indica la famiglia di leghe; • la seconda le eventuali varianti rispetto alla lega originaria, alla quale è riservata la cifra 0; • le due ultime cifre indicano infine nella serie 1xxx il grado di purezza dell’alluminio e nelle altre serie definiscono specificatamente la combinazione di alliganti, secondo questo indice: 1XXX Alluminio con purezza minima 99.00% 2XXX Leghe Al-Cu 3XXX Leghe Al-Mn 4XXX Leghe Al-Si 5XXX Leghe Al-Mg 6XXX Leghe Al-Mg-Si 7XXX Leghe Al-Zn 8XXX Leghe Al con altri elementi 9XXX Serie sperimentale

4. Trattamenti termici • La designazione chimica sopraccitata prevede anche la collocazione di una lettera, separata da un trattino, che descrive la successione dei trattamenti termici e meccanici che ilmateriale subisce prima di essere messo in opera. • F :”grezzo di laminazione” Definisce il materiale uscente dal normale ciclo di produzione tanto che le proprietà meccaniche non vengono garantite. • O :”ricotto cristallizzato” Definisce la qualità più dolce dei prodotti semilavorati. • H :”incrudito” Definisce i materiali le cui proprietà meccaniche sono state aumentate per sola deformazione plastica a freddo. • H1 :”incrudito” In questo caso la cifra successiva ad 1 indica il grado di deformazione plastica a freddo. • H2 :”incrudito e parzialmente ricotto” Si applica ai materiali di massimo incrudimento, portati poi al livello voluto di proprietà meccaniche con un trattamento termico di parziale ricristallizzazione. • H3 : “incrudito e stabilizzato”. Si applica solo alle leghe di alluminio-magnesio deformate e riscaldate successivamente a bassa temperatura per fissare nel tempo le proprietà. • W :”temprato ed invecchiato naturalmente” Si applica solo alle leghe che invecchiano a temperatura ambiente dopo tempra di solubilizzazione (viene indicato il tempo di invecchiamento). • T : “trattato termicamente”. Si applica solo ai materiali trattati termicamente, incruditi o meno, ed è seguita da una cifra che va dall’1 al 10.

5. Principali leghe di Alluminio • La maggior parte delle leghe di alluminio viene utilizzata allo stato semilavorato, cioè viene realizzata per deformazione plastica. • Grazie all’ affinamento e all’ omogeneizzazione del grano e all’incrudimento introdotto dalla lavorazione meccanica della lega laminata, viene aumentata la resistenza meccanica. • Le leghe si suddividono in due grosse categorie: • leghe non trattabili termicamente, ovvero induribili solo per deformazione plastica a freddo (stato metallurgico H) • leghe trattabili termicamente, cioè induribili per precipitazione di fasi coerenti e semicoerenti (stato metallurgico T). Serie 1000. (Alluminio industrialmente puro - almeno 99%). Le leghe di questa serie sono caratterizzate da eccellente resistenza alla corrosione, conducibilità termica ed elettrica elevate, buona lavorabilità, caratteristiche meccaniche piuttosto basse. Le caratteristiche meccaniche possono essere aumentate, entro certi limiti, mediante incrudimento. Le principali applicazioni comprendono impianti chimici, corpi riflettenti, scambiatori di calore, conduttori e condensatori elettrici, applicazioni architettoniche e decorative.

6. Serie 2000.( leghe Al – Cu; nome commerciale Avional). Il principale elemento di lega è il rame; in alcune leghe vi sono aggiunte di magnesio e manganese. Si tratta di leghe da trattamento termico che sviluppano caratteristiche meccaniche confrontabili con quelle degli acciai al carbonio. La loro resistenza alla corrosione è meno elevata di quella di altre leghe di Alluminio; per questo motivo in applicazioni critiche richiedono opportuni sistemi di protezione. Per la medesima ragione le lamiere sottili sono disponibili anche in versione placcata con altre leghe di Alluminio con migliore resistenza a corrosione. Vengono utilizzate per parti e strutture che richiedono elevati rapporti resistenza/peso (ruote di velivoli e mezzi di trasporto terrestre, strutture aeronautiche, sospensioni automobilistiche) per temperature di impiego fino a circa 150 °C. Sono caratterizzate da eccellente lavorabilità alle macchine utensili. Lega 2017(semilavorate): contenente il 4% di rame ed è utilizzata per chiodature di strutture aeronautiche; ha una buona duttilità ed è possibile accrescere la durezza e la resistenza meccanica con successivi riscaldamenti. Lega 2024(semilavorate): contenente il 4.5 % di rame e l’1.5 % di magnesio possiede allo stato di invecchiamento naturale la resistenza meccanica più elevata, tuttavia il maggior tenore di magnesio rispettoalla 2017 rende più difficile la produzione. Lega 2218(semilavorate): contenente il 4.5 % di rame e il 2 % di nichel è stata recentemente sviluppata per usi a temperature elevate quali si hanno nelle teste forgiate di cilindri e pistoni.

7. Serie 3000. ( leghe Al – Mn) Il principale elemento in lega è il Manganese; in generale il vantaggio conferito dal Manganese è quello di aumentare la resistenza meccanica delle leghe lavorate e di ridurre la sensibilità alla corrosione intergranulare ed alla stress corrosion, ma l’eventuale presenza di composti intermetallici causa una diminuzione di duttilità. Lega 3003(semilavorate): contenente lo 0,12% di rame e l’ 1,2 % di manganese, presenta buone caratteristiche di formabilità e saldabilità, nonché buona resistenza alla corrosione. Il suo campo applicativo riguarda la realizzazione di utensili e contenitori di sostanze alimentari e chimiche,serbatoi recipienti in pressione e tubazioni. Serie 4000. ( leghe Al – Si) Il principale elemento di lega è il Silicio; la sua importanza è dovuta all’aumento di fluidità e alla riduzione del coefficiente di dilatazione termica conferito dall’aggiunta di piccole quantità di questo alligante, proprietà molto utile nella tecnologia dei getti e nelle saldature. Nell’uso commerciale vengono aggiunti altri elementi in lega quali per esempio il Rame e il Magnesio. Le proprietà di talune leghe di alluminio-silicio possono essere migliorate mediante inoculazione di piccoli tenori di sodio metallico nel bagno poco prima della colata, in quanto ciò permette l’affinamento del grano e di conseguenza si ottiene una struttura più tenace.

8. Lega 4032(semilavorate): contenente lo 12,2 % di silicio, lo 0,9 % di rame e l’ 1,0 % di magnesio ha buona forgiabilità e basso coefficiente diespansione termica. E’ usata per pistoni forgiati di automobili. Lega 13-lega 43(in getto): contenente rispettivamente il 12 % e il 5 % di silicio, hanno un’ eccellente colabilità e resistenza alla corrosione; sono usate per getti di forma complessa a tenuta di pressione, come apparecchiature di manipolazione di sostanze alimentari e raccordi in marina. Serie 5000. ( leghe Al – Mg,nome commerciale Peraluman). Il principale elemento di lega è il Magnesio, che conferisce doti particolari di resistenza alla corrosione, oltre a buona resistenza a caldo ed ottime doti di duttilità e lavorabilità. In genere non richiede trattamento termico di invecchiamento e presentano buona saldabilità per fusione.Si tratta di leghe da incrudimento le cui caratteristiche meccaniche possono essere aumentate mediante laminazione a freddo, mentre non si possono aumentare mediante trattamento termico; le caratteristiche meccaniche sono in generale inferiori a quelle delle leghe della serie 2XXX. Il Magnesio fornisce inoltre un’eccellente resistenza alla corrosione e una buona saldabilità: queste caratteristiche vengono sfruttate nella costruzione delle carrozzerie in Alluminio. La resistenza alla corrosione è elevata, anche in ambiente marino.

9. Lega 5052(semilavorate): contenente lo 2,5 % di magnesio e lo 0,25 % di cromo; è utilizzata per tubature di olio combustibile e di gasolio. Lega 5083(semilavorate) :contenente lo 4,4 % di magnesio e lo 0,7 % di manganese e lo 0,25 % di cromo; utilizzata per applicazioni marine e strutture saldate. Lega 5056(semilavorate) :contenente lo 5 % di magnesio e lo 0,12 % di manganese e lo 0,12 % di cromo, il cui utilizzo riguarda guaine di cavi e chiodatura di componenti strutturali in lega di magnesio. Lega 214-218-220(in getto) : contenenti rispettivamente il 4%, l’ 8% e il 10 % di magnesio presentano la migliore resistenza alla corrosione in acqua di mare e le più elevate proprietà meccaniche tra tutte le leghe di Al-Mg. Serie 6000. (leghe Al – Si – Mg,nome commerciale Anticorodal). I principali elementi di lega sono Silicio e Magnesio. Si tratta di leghe da trattamento termico; dopo trattamento termico sviluppano caratteristiche meccaniche intermedie, in generali inferiori a quelle delle leghe della serie 2000. Presentano buona formabilità, lavorabilità, truciolabilità e saldabilità. Vengono utilizzate per applicazioni architettoniche, telai motociclistici e ciclistici, strutture saldate in genere. Questo sistema costituisce la classe principale di leghe per i pezzi lavorati a caldo e per quelli ricavati da fusione. Esse riescono a combinare alcune caratteristiche favorevoli: buone resistenze meccaniche, sensibilità relativamente bassa alla tempra, buona resistenza alla corrosione.

10. Lega 6061 (semilavorate): contenente lo 0,6 % di silicio, lo 0,28 % di rame, l’1 % di manganese e lo 0,2 % di cromo. Lega 6063 (semilavorate): contenente lo 0,4 % di silicio, lo 0,7 % di manganese, entrambe caratterizzate da un eccellente resistenza alla corrosione e risultano più lavorabili di altre leghe trattabili termicamente. Tipiche applicazioni includono parti di aereo, mobili, parapetti di ponti ed elementi architettonici. Lega 355 (in getto) : contenente il 5 % di silicio, l’1,3 % di rame, e lo 0,5 % di manganese. Lega 356 (in getto) : contenente il 7 % di silicio, lo 0,3 % di manganese e lo 0,2 % di ferro. Lega 360 (in getto) : contenente il 9,5 % di silicio, lo 0,55 % di manganese e l’1 % di ferro, hanno una combinazione ottimale di colabilità, compattezza e resistenza alla corrosione ed alle sollecitazioni. Inoltre dopo trattamento termico possiedono proprietà meccaniche molto simili a quelle delle leghe di alluminio-rame.

11. Serie 7000.(leghe Al – Zn ,nome commerciale Ergal). Il principale elemento di lega è lo Zinco, l’elemento che ha la solubilità più elevata nell’alluminio. Generalmente le leghe binarie Al-Zn non vengono usate, ma vengono preferite leghe Al-Zn-Mg. Si tratta di leghe da trattamento termico; queste leghe sviluppano le caratteristiche meccaniche più elevate tra le leghe d’Alluminio; lo Zinco aumenta la resistenza e la durezza, oltre a favorire l’autotemprabilità della lega. Le leghe Al-Zn-Mg, trattate termicamente, hanno la più elevata resistenza a trazione di tutte le leghe di alluminio. Le leghe con le caratteristiche meccaniche più elevate possono presentare sensibilità a tensocorrosione; per questo motivo sono stati sviluppati trattamenti "stabilizzanti" specifici. Presentano buona lavorabilità alle macchine utensili e, nella maggior parte dei casi, scarsa saldabilità per fusione. Vengono utilizzate per strutture aeronautiche e di mezzi di trasporto, ed in generale per parti molto sollecitate. Lega 7079 (semilavorate) : contenente lo 0,6 % di rame, lo 0,2 % di manganese,il 3,3 % di magnesio, lo 0,17 % di cromo e il 6,7 % di zinco. Lega 7178 (semilavorate) : contenente il 2,7 % di magnesio, lo 0,26 % di cromo e il 6,8 % di zinco.

12. IL MAGNESIO E LE SUE LEGHE • Il magnesio è un elemento chimico facente parte dei metalli alcalino - terrosi. • Elemento di numero atomico 12 • Densità 1,74 g/cm^3 • Punto di fusione 649,85°C • Carico di rottura 185-232 MPa • Allungamento a rottura 4-6 % • Aspetto bianco argento • Basso peso specifico, pari a circa due terzi di quello dell’alluminio • Eccellente lavorabilità meccanica • Buone caratteristiche di resistenza e di stabilità alla corrosione • Ottima saldabilità (a gas, ad arco elettrico, per resistenza • Ottima capacità di smorzamento delle vibrazioni • Buona resistenza all’usura • Alta conducibilità termica ed elettrica • Buona resistenza a fatica • Bassa inerzia • Alta capacità di deformazione a caldo • Possibilità di protezione anticorrosione • Ottima colabilità • Atossicità • Non magnetico

13. Classificazione del magnesio e delle sue leghe Il magnesio si trova facilmente in commercio con purezze che superano il 99,80 % , tuttavia è raramente usato per applicazioni industriali senza essere legato con altri metalli, a causa delle sue proprietà meccaniche non eccelse. Gli alliganti tipici come alluminio, manganese, zinco, torio, zirconio, argento, terre rare permettono di ottenere leghe leggere per applicazioni strutturali. L’alligazione del magnesio con tali elementi è resa possibile dal suo diametro atomico (0,320 nm) che rendefavorevoli i fattori dimensionali per l’ottenimento di soluzioni solide. La quantità massima di elementi alliganti è limitata dalla solubilità allo stato liquido dell’elemento nel metallo fuso così come dalle interferenze tra elementi competitivi aggiunti. La designazione e la composizione chimica a cui si fa riferimento per le leghe di magnesio è quella ASTM fissata nella ASTM B 275. Nella seguente figura viene spiegato il modo in cui le leghe di magnesio sono designate secondo tale norma:

14. La designazione si compone di quattro parti: • la prima indica i due principali elementi alliganti; • la seconda la quantità in percentuale dei due maggiori elementi alliganti; • la terza serve a distinguere leghe diverse, ma aventi la stessa quantità in percentuale dei due maggiori elementi alliganti; • la quarta parte indica l’eventuale trattamento termico subito.

15. Proprietà chimiche e meccaniche Il magnesio risulta chimicamente inerte rispetto alla maggior parte delle basi e a molti composti organici; risulta invece sensibile all’attacco acido. Infatti il comportamento alla corrosione è strettamente correlato alla purezza del metallo. Per quanto riguarda le proprietà meccaniche, l’avere una bassa densità, un’alta resistenza , e una grande rigidità ha reso il magnesio e le sue leghe particolarmente versatili. Caratteristiche meccaniche

16. I processi di formatura delle leghe di magnesio si possono dividere in due gruppi: • 1. processi di produzione per getti • 2. processi di produzione per deformazione plastica (sono effettuati a caldo perché a causa della sua struttura compatta, il magnesio è scarsamente duttile a temperatura ambiente) Forgiatura (forging). Viene effettuata su billette o lingotti. I lingotti vengono realizzati in stampi permanenti di acciaio mentre le billette per mezzo di pre-estrusione di lingotti. Le billette e lingotti vengono preriscaldati prima di subire il forging. Le leghe che si usano per il forging sono principalmente AZ31A, AZ61A, AZ80A, QE22A, ZK21A e ZK60A. Per questo processo si usano presse idrauliche o meccaniche con stampi aperti o chiusi. Le leghe, generalmente fluiscono lateralmente nello stampo piuttosto che longitudinalmente e possono essere forgiate con piccoli angoli e spessori sottili. Le proprietà meccaniche dei pezzi forgiati dipendono molto dall’incrudimento subito (rafforzamento da deformazione) e questo è inversamente proporzionale alla temperatura di forgiatura, tuttavia se quest’ultima è troppo bassa si va incontro alla rottura del pezzo. Le pressioni di forgiatura dipendono dalla temperatura e sono comprese tra i 100 e i 200 MPa. Le leghe di magnesio richiedono pressioni di forgiatura maggiori rispetto a quelle richieste per l’acciaio al carbonio, acciaio legato e alluminio e minori rispetto a quelle per l’acciaio inossidabile.

17. Estrusione. L’estrusione a caldo in presse idrauliche ha lo scopo di formare barre ed un’ampia varietà di profilati. Esistono due metodi di formatura: il metodo diretto e il metodo indiretto. Nel metodo diretto (che è il più usato) un pistone spinge il lingotto o la billetta contro la cavità dello stampo fisso. Nel metodo indiretto,invece, lo stampo e il controstampo sono spinti contro il materiale da estrudere che è tenuto fermo. Gli stampi sono realizzati in acciaio legato e devono essere tenuti sempre puliti. Le temperature di estrusione vanno da 300 a 450°C. I prodotti ottenuti sono raffreddati con aria forzata o con acqua per mantenere una microstruttura fine e una omogeneità del metallo. Laminazione. Lingotti di forma piatta con lati arrotondati costituiscono il materiale di partenza per la realizzazione di lastre e piatti attraverso la laminazione (rolling). Ciascun lingotto è prima preriscaldato per diverse ore quindi viene laminato attraverso rulli successivi che ne riducono lo spessore. La lastra è riscaldata nuovamente ad una temperatura di 315 - 370 °C e laminata nella dimensione definitiva, infine è raffreddata.

18. IL NICHEL E LE SUE LEGHE • Il nichel è un elemento chimico facente parte dei metalli di transizione. • Elemento di numero atomico 28 • Densità 8,90 g/cm^3 • Punto di fusione 1453°C • Carico di rottura 310-400 MPa • Allungamento a rottura 40 % • Aspetto metallo lucido • Eccellente lavorabilità meccanica • Buone caratteristiche di resistenza alla corrosione • Buone caratteristiche di resistenza all’ossidazione • Ottima saldabilità • Buona resistenza all’usura • Buon conduttore di calore ed elettricità • Alta resistenza al calore • Duttile e tenace • Magnetico

19. Classificazione del nichel e delle sue leghe Le leghe speciali in Nichel sono fusioni, barrette, fili, elettrodi, barre, forgiati e tutto quanto ruota attorno alla saldatura. In particolare, fra superleghe e metalli speciali per riporto duro, le superleghe a base di Nichel sono usate per la realizzazione di parti di turbine a gas ed a vapore come palette, dischi, alberi, involucri protettivi, ed in alcuni motori automobilistici come valvole. Un gran numero di elementi vengono aggiunti per migliorare le prestazioni meccaniche delle superleghe a base di Nichel: il miglior rinforzo per queste leghe è dato da elementi come il titanio e l’alluminio che danno origine a fasi intermetalliche per mezzo di un opportuno trattamento termico. Elementi come il cromo ed il ferro possono indurire tali leghe con l’aggiunta di carbonio. Le leghe di Nichel, sono leghe speciali che offrono particolare resistenza alla corrosione, all’ossidazione e all’usura alle alte temperature. Sono usate principalmente per componenti di fornaci, fusioni nell’industria alimentare, nell’ingegneria nucleare, per elettrodi d’accensione.

20. Principali leghe di Nichel Il nichel come elemento di lega aggiunto è presente in moltissimi acciai, infatti le sue principali proprietà sono quelle di rendere tenaci gli acciai da costruzione e di austenizzare le leghe di Fe-Cr ad alto tenore di cromo. Volendo citare le più importanti leghe di nichel, che vengono utilizzate nell’industria chimica, possiamo elencare le leghe nichel - rame, nichel-molibdeno, nichel-silicio, nichel-cromo, nichel-cromomolibdeno, nichel-cromo-ferro, e le superleghe di nichel.

21. Leghe Ni – Cu (nome commerciale Monel). Le più importanti leghe di nichel-rame hanno una composizione base di circa due terzi in nichel ed un terzo in rame. Tale tipologia di leghe vengono impiegate in ambienti fortementecorrosivi per lo loro elevata resistenza alla corrosione da acidi e cloruri. Le migliori proprietà meccaniche si raggiungono nella lega Monel K che risulta induribile per precipitazione, grazie alla presenza di alluminio e titanio; mentre la lega Monel R presenta una lavorabilità molto elevata grazie all’aggiunta di una piccola percentuale di zolfo.

22. Leghe Ni – Mo (nome commerciale Hastelloy). Questa classe di leghe fu sviluppata inizialmente come materiali resistente alla corrosione ed in seguito come materiale resistente ad alte temperature. Leghe Ni – Si (nome commerciale Hastelloy D). L’unica commercialmente rappresentativa di questo gruppo è la lega Hastelloy D che è utilizzata per componenti reattoristici e tubazioni dell’ industria chimica; infatti la sua notorietà consiste nella resistenza all’acido solforico a tutte le concentrazioni e a temperature fino al punto di ebollizione.

23. Leghe Ni – Cr (nome commerciale Inconel). Le leghe di nichel-cromo sono state impiegate inizialmente come resistenze elettriche di elettrodomestici e successivamente per le caratteristiche di resistenza allo scorrimento viscoso, all’ossidazione a caldo e alla corrosione all’umido; inoltre il loro utilizzo si è esteso ad impieghi che oscillano tra temperature criogeniche e temperature di 1100°C.

24. Inconel 600 : rappresenta la lega base di questa classe, sviluppata per impieghi in ambienti fortemente corrosivi ad elevate temperature, è resistente all’ossidazione fini a temperature di 1150°C ed ha ottime proprietà a temperature criogeniche; inoltre viene impiegata nell’industria aeronautica per riscaldatori di motore e per tubi di scappamento grazie alla buona resistenza al ciclaggio termico. Inconel 625 : ottenuta con aggiunte di molibdeno e vanadio alla Inconel 600, manifestando eccellente proprietà di resistenza e tenacità dalle temperature criogeniche fino a temperature di 1100°C. Inconel X-750 : tale lega è stata ottenuta addizionando alla composizione piccole quantità di alluminio e titanio. Presenta un eccellente resistenza allo slittamento viscoso e alla corrosione fino a 800°C. Tipiche applicazioni di questa lega riguardano turbocompressori di turbine a gas e parti di propulsori a razzo.

25. Leghe Ni – Cr– Mo (nome commerciale Illium). Altro gruppo di leghe resistenti alla corrosione. Queste leghe, che sono state sviluppate per dispositivi metallici particolarmente resistenti agli acidi solforico e nitrico, trovano applicazione nella costruzione di pompe e parti operanti in ambiente aggressivo. Illium B : è una lega resistente alla corrosione e contemporaneamente resistente all’erosione e all’usura. Illium 98 : tale lega viene impiegata per resistere all’attacco aggressivo dell’acido solforico al 98% di concentrazione a temperature elevate. Illium G : risulta resistente all’attacco di acidi e alcali o di composti solforati, in condizioni ossidanti e riducenti a temperature moderatamente elevate.